KR100368861B1 - Method of repairing over erased cell in non-volatile memory - Google Patents
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Abstract
본 발명은 불 휘발성(non-volatile) 반도체(semiconductor) 메모리(memory)장치에 관한 것으로, 메모리 셀 유니트(unit)의 컨트롤(control) 게이트(gate) 전극을 연결하는 복수개의 워드라인(word line)들로 구성된 행 유니트로 구성된 복수개의 섹터 행 블록과, 상기 셀(cell)의 드레인(drain) 영역을 연결하는 복수개의 비트 라인(bit line)들로 구성된 복수개의 아이오(I/O) 블록(block)을 구비하는 노어(NOR)형 불 휘발성 반도체 메모리 소자에 관한 것이다. 좀더 구체 적으로는 상기 불 휘발성 반도체 메모리의 소거(erase)방법에 관한 것으로, 불 휘발성 NOR 반도체 메모리 셀의 소거 동작에서 과 소거(over erase)된 셀에 의한 오 동작을 방지하기 위한 구제(repair) 방법에 관한 것으로 종래의 셀 데이터(data) 소거 시 과 소거된 셀의 분포는 정상 분포의 꼬리(tail)를 형성하며 전체 셀 중의 미소한 부분을 차지함에도 불구하고 각각의 셀에 대하여 과 소거 검증을 수행하여야 하는 단점을 극복하여 섹터 내의 하나의 비트 라인에 접속된 셀에 대하여 동시에 소거 검증을 수행함으로써 셀의 소거 동작 시간을 줄일 수 있는 기술이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a non-volatile semiconductor memory device, comprising: a plurality of word lines connecting control gate electrodes of a memory cell unit; A plurality of sector row blocks comprising a row unit consisting of a plurality of bit lines and a plurality of bit lines connecting the drain region of the cell (I / O) block The present invention relates to a NOR type nonvolatile semiconductor memory device having: More specifically, the present invention relates to a method of erasing the nonvolatile semiconductor memory, and includes a repair for preventing a false operation caused by an over erased cell in an erase operation of the nonvolatile NOR semiconductor memory cell. In the conventional method of erasing cell data, the over-erased cell distribution forms a tail of a normal distribution and performs over-erasure verification for each cell even though it occupies a small portion of the entire cell. In order to overcome the disadvantages to be performed, the erase operation time of a cell can be reduced by simultaneously performing erase verification on a cell connected to one bit line in a sector.
Description
본 발명은 노어 형태의 메모리 셀 구조를 가지는 반도체 메모리 장치의 과 소거 검증시 섹터 내의 한 개의 비트 라인에 연결된 셀에 대하여 동시에 과 소거 검증을 수행함으로써 과 소거 검증 시간을 단축하는 불 휘발성 반도체 메모리 장치에 관한 것이다.The present invention provides a nonvolatile semiconductor memory device which shortens over erase verification time by simultaneously performing over erase verification on a cell connected to one bit line in a sector during over erase verification of a semiconductor memory device having a NOR-type memory cell structure. It is about.
첨부된 도면을 참조하여 노어형 반도체 메모리 장치의 기본적인 설명과 함께 기존 기술을 소개한다. 제1도는 노어형 플레쉬 반도체 메모리 장치의 단위 셀 구조가 예시되어 있다.With reference to the accompanying drawings will be introduced a conventional technology with a basic description of the NOR-type semiconductor memory device. 1 illustrates a unit cell structure of a NOR flash semiconductor memory device.
제 1도를 참조하면, 노어형 반도체 메모리 장치의 단위 셀은, p형 반도체 기판(10)과 이 위에 형성된 소정의 소스(source) 영역과 소오스 영역과 일정 거리를 두고 형성된 드레인 영역(12), 상기 소스와 일정 거리 이격 된 거리에 위치한 드레인 영역과 상기 소스와 드레인 사이의 채널 형성영역에 형성되어 전위 장벽(potential well)역할을 하는 얇은 터널 산화막(tunnel oxide)(13)과 그 위에 형성되어 전하를 저장하는 부유 게이트(floating gate)(15)와 상기 부유 게이트 위에 형성된 또 다른 절연막(14)에 의해 절연된 컨트롤 게이트(control gate)(16) 전극으로 구성된다.Referring to FIG. 1, a unit cell of a NOR-type semiconductor memory device may include a p-type semiconductor substrate 10 and a drain region 12 formed at a predetermined distance from a predetermined source region and a source region formed thereon. A thin tunnel oxide layer 13 is formed on the drain region located at a distance from the source and a channel forming region between the source and the drain to serve as a potential well, and is formed thereon. It consists of a floating gate 15 for storage and an electrode of a control gate 16 insulated by another insulating film 14 formed on the floating gate.
일반적인 노어형 반도체 메모리 장치의 쓰기 동작은 컨트롤 게이트에 고전압을 인가한 상태에서 소스-드레인 사이에 또 다른 고 전압을 인가하여, 드레인 부근에서발생하는 핫 케리어(hot carrier)를 상기 플로팅 게이트로 주입(injection)하는 작용이며 이때의 전압 바이어스(bias) 조건을 예로 들면 Vg=10V, Vd=6~9V, Vs=0V, Vb=0V이다. 이러한 전자의 주입은 상기 메모리 셀의 문턱전압(threshold voltage)을 상승시키는 일련의 작용이다.A typical NOR write operation of a semiconductor memory device applies another high voltage between a source and a drain while a high voltage is applied to a control gate, thereby injecting a hot carrier generated near a drain into the floating gate. For example, Vg = 10V, Vd = 6 ~ 9V, Vs = 0V, Vb = 0V. This injection of electrons is a series of actions that raises the threshold voltage of the memory cell.
이때의 조건을 제2(a), 제2(b)도에 도시하였다.그리고, 상기의 메모리 셀은 그 특성상 데이터 쓰기 동작이전에 반드시 데이터 소거 동작을 수행하여야 하며, 통상 이는 F-N 터널링(Fowler-Nordheim tunneling) 현상을 이용한다. F-N 터널링은 그 전류량이 미세하여 상대적으로 긴 시간이 필요한 동작이므로 통상적으로 소정의 셀 묶음인 섹터 단위로 수행한다.The conditions at this time are shown in Figs. 2 (a) and 2 (b). The memory cells must perform a data erase operation prior to a data write operation due to their characteristics, which is usually FN tunneling. Nordheim tunneling phenomenon is used. Since F-N tunneling is an operation requiring a relatively long time due to its small amount of current, F-N tunneling is generally performed in a unit of a predetermined cell bundle.
소거 동작은 상기 컨트롤 게이트 전극(16)에 소정의 음의 고 전압(예를 들면 -10V)을 인가하고, 소스 영역(11)에 소정의 양의 고전압(예를 들면 +5V)을 인가하여, 컨트롤 게이트와 소스 영역 사이의 절연막(13)에는 7MV/cm 이상의 고 전계를 유발시켜 상기 플로팅 게이트 내의 전자가 상기 고전계에 의해 절연막을 통해 F-N 터널링 작용으로 상기 소스 영역으로 방출(ejection)하여 상기 셀의 문턱 전압을 낮추는 동작이다. 이때 드레인(12) 영역은 상기의 소거 동작의 효율 향상을 위하여 프로팅(floating) 상태로 만든다.In the erase operation, a predetermined negative high voltage (eg, −10 V) is applied to the control gate electrode 16, and a predetermined positive high voltage (eg, +5 V) is applied to the source region 11. A high electric field of 7 MV / cm or more is induced in the insulating layer 13 between the control gate and the source region so that electrons in the floating gate are ejected into the source region by FN tunneling through the insulating layer by the high electric field. This operation lowers the threshold voltage. In this case, the drain 12 region is made floating in order to improve the efficiency of the erase operation.
이때의 조건을 제3(a), 제3(b)도에 도시하였다.The conditions at this time are shown in FIG. 3 (a) and FIG. 3 (b).
상기한 반도체 메모리 셀은 그 특성상 상기의 터널 산화막질이 균일하지 못할 수 있으며, 특히 상대적으로 얇은 터널 산회막 두께를 가지는 셀의 경우 동일한 바이어스 조건에서 더 높은 전계가 인가되어 소거 동작시 음의 방향으로 이동되는 정도가 커지는 문제가 발생한다. 이러한 셀을 통상 빠른 셀(fast cell)이라 하며 이 상태를 과 소거(over erase)되었다고 하며, 특히 노어 플레쉬 반도체 메모리에서는 큰 문제로 대두되고 있다.In the semiconductor memory cell, the tunnel oxide film quality may not be uniform due to its characteristics. In particular, in the case of a cell having a relatively thin tunnel oxide film thickness, a higher electric field is applied under the same bias condition so that the semiconductor memory cell may be in a negative direction during an erase operation. The problem is that the degree of movement increases. Such a cell is generally called a fast cell, and this state is called over erase. In particular, a NOR flash semiconductor memory is a big problem.
통상 플레쉬 반도체 메모리에서 일기 동작시 선택되지 않은 워드라인(word line)은 0V로 전압이 인가되는데 이때 상기 과 소거 셀이 만일 음의 문턱 전압을 가질 경우 비 선택 메모리 셀을 통하여 비트 라인의 로드 전류(load current)가 방출 되게 되어 정상 적인 읽기 동작에 영향을 미치기 때문이다. 이러한 상기 과 소거 셀의 분포를 제 4도에 도시하였다.In a typical flash semiconductor memory, a word line that is not selected during a read operation is applied with a voltage of 0 V. At this time, if the over erase cell has a negative threshold voltage, the load current of the bit line through the unselected memory cell ( This is because the load current is released, which affects the normal read operation. The distribution of the over erased cells is shown in FIG.
소거 동작시 일정 전압 이하가 되면 소거 완료된 것으로 판정하기 위한 소거 판정 전압(erase verify) 수준(40)과 쓰기 동작시 일정 전압 이상이 되면 쓰기 완료된 것으로 판정하기 위한 쓰기 판정 전압(program verify) 수준(41)과 읽기 동작시 가질 수 있는 마진(margin) 수준(41)이 도시되어 있다.An erase verify voltage level 40 for determining that the erase is completed when the voltage is less than the predetermined voltage during the erase operation, and a program verify voltage level 41 for determining that the write is completed when the voltage exceeds the predetermined voltage during the write operation. And margin levels 41 that may be present in a read operation.
그림에서 보듯이 과 소거 검증 작용이 없을 경우 상기 빠른 셀들에 의해 정상적인 가우스(gauss) 분포를 가지지 못하는 소거 셀 분포가 존재한다. 이러한 과 소거 셀들에 의한 문제점을 방지하기 위하여 소거 동작 후 과 소거 검증 작업을 수행하며 이때 소프트 프로그램(soft program)을 통해 일정의 과 소거 검증 수준(42) 이상으로 셀의 분포를 모은다.As shown in the figure, there is an erase cell distribution that does not have a normal Gaussian distribution by the fast cells in the absence of an over erase verification action. In order to prevent the problem caused by the over erase cells, the over erase verification operation is performed after the erase operation. At this time, the distribution of the cells is gathered above a predetermined over erase verify level 42 through a soft program.
기존 기술에서 이러한 과 소거 검증 동작시의 과 소거 읽기 동작은 개개의 셀에 대해서 수행되며, 일정하게 정해진 루틴(routine)을 수행한 후 완료된다. 이러한 기존 기술에 의한 루틴의 예를 제5도에 도시하였으며 출처는 대한미국 특허청 공개특허 공보 공개번호 특1999-0042720, 출원 번호 제 10-1997-0063619이다.In the conventional technology, the over erase read operation during the over erase verify operation is performed on individual cells and is completed after a predetermined routine is performed. An example of such a routine according to the prior art is shown in FIG. 5, and the source is Korean Patent Application Publication No. 1999-0042720, Application No. 10-1997-0063619.
제 5 도에 도시되었듯이 기존 기술의 과 소거 구제 방법은 소거 섹터 내의 로우 어드레스에 대하여 비트 바이 비트(bit by bit) 방식으로 순차적인 과 소거 검증을 거친 후 과 소거 된 셀이 발견되면 그 셀에 대하여 소프트 프로그램을 수행하고, 섹터 내 로우 어드레스의 끝에 도달하면, 컬럼 어드레스를 한 개 증가시킨 후 다시 섹터 로우 첫 번째 어드레스에서 상기의 루틴을 반복하는 과정을 수행한다.As shown in FIG. 5, the conventional over erase remedy method performs a sequential over erase verification in a bit by bit manner on a row address in an erase sector, and when over erased cells are found, If a soft program is executed and the end of the row address in the sector is reached, the column address is increased by one, and the above routine is repeated at the first sector row address.
따라서 본 발명에서는 기존의 노어형 플레쉬 반도체 메모리 장치에서의 과 소거 검증 수행시 개개의 비트에 대해서 따로 수행하던 과 소거 검증 읽기 과정을 소정의 소거 섹터 단위내의 워드라인 개수의 셀 수만큼 동시에 수행함으로써 과 소거검증 읽기에 걸리는 시간을 줄이는데 그 목적이 있다.Therefore, in the present invention, the over erase erase read process, which is performed separately for individual bits in the conventional NOR-type flash semiconductor memory device, is performed at the same time by the number of cells of word lines in a predetermined erase sector unit. The goal is to reduce the time taken to verify reads.
일반적으로 노어형 플레쉬 반도체 메모리 장치의 셀에 있어서 부분적 터널 절연막의 얇아짐에 의해 소거가 빨리 되는 fast cell의 비율은 0.01 % 미만인 정도인 것으로 보고되고 있다. 따라서 동일 섹터 내에서 섹터내의 워드라인이 16개라고 가정하면 인접한 16개의 셀들 중 한 개가 과 소거 상태일 확률은 1% 미만이 된다. 과 소거 검증 읽기 과정은 과 소거 검증 레벨의 기준이 되는 셀 보다 전류 용량이 커서 비트 라인을 로우(low) 준위로 유지하는 셀을 검색하는 작업이므로 상기 소정의 워드라인에 연결된 셀들중 과 소거 된 셀이 없을 경우는 비트 라인을 하이(high)준위로 차징(charging) 하므로 쉽게 구분 할 수 있다.In general, it has been reported that the ratio of fast cells which are rapidly erased by thinning of the partial tunnel insulating film in a cell of a NOR flash semiconductor memory device is less than 0.01%. Thus, assuming that there are 16 word lines in a sector within the same sector, the probability that one of the 16 adjacent cells is over erased is less than 1%. The over erase verification read process searches for a cell that maintains the bit line at a low level because the current capacity is greater than that of the cell used as the reference of the over erase verify level. Without this, the bit line is charged to a high level so that it can be easily distinguished.
제 1 도 : 통상의 노어형 프레쉬 반도체 메모리 장치의 단위셀을 나타내는 개략적 수직 도면.1 is a schematic vertical view showing a unit cell of a conventional NOR fresh semiconductor memory device.
제 2 도 : 통상의 노어형 프레쉬 반도체 메모리 장치의 쓰기(program) 동작을 나타내는 개략적 도면.2 is a schematic diagram showing a write operation of a conventional NOR fresh semiconductor memory device.
제 3 도 : 통상의 노어형 프레쉬 반도체 메모리 장치의 소거(erase) 동작을 나타내는 개략적 도면.3 is a schematic diagram showing an erase operation of a conventional NOR fresh semiconductor memory device.
제 4 도 : 통상의 노어형 프레쉬 반도체 메모리 장치에서 셀의 문턱 전압 분포를 나타내는 대표적인 도면.4 is a representative diagram showing a threshold voltage distribution of a cell in a conventional NOR fresh semiconductor memory device.
제 5 도 : 종래 기술에서 노어형 프레쉬 반도체 메모리 장치에서의 과 소거 리페어 동작 수행을 설명하는 플로우 차트.5 is a flowchart illustrating the performance of an over erase repair operation in a NOR type fresh semiconductor memory device in the prior art.
제 6도 : 노어형 프레쉬 반도체 메모리 장치에서의 메모리 셀 어레이 구성 및 동작을 설명하기 위한 개략적 블록도.6 is a schematic block diagram for explaining a configuration and operation of a memory cell array in a NOR fresh semiconductor memory device.
제 7 도 : 본 발명에 의한 노어형 프레쉬 반도체 메모리 장치에서의 과 소거 리페어 동작 수행을 설명하는 플로우 차트.7 is a flowchart for explaining an over erase repair operation performed in a NOR fresh semiconductor memory device according to the present invention.
제 6 도는 본 발명에 의한 과 소거 검증 일기 동작을 설명하기 위한 메모리 어레이 구성도 이다. 각각의 구성은 소정의 워드라인 묶음인 섹터(61)와 열 프리 디코더(62)에 의해 구분되는 소정의 서브 비트 라인(sub bit line)(B/L0 ~B/Li), 셀의 데이터를 읽기 위한 센스 블록(67) 등으로 구성된다.6 is a configuration diagram of a memory array for explaining the over erase verification diary operation according to the present invention. Each configuration reads data of a predetermined sub bit line (B / L0 to B / Li) divided by a sector 61, which is a predetermined word line bundle, and a column free decoder 62. A sense block 67 and the like.
과 소거 검증 읽기 동작이 시작되면 제 6도의 행 프리 디코더(60-2)에 연결된 모든 워드라인은 소정의 전압으로 동시에 인에이블 된다. 기존의 순차적인 워드라인 인에이블 방식과 가장 구별되는 특징이 바로 이러한 동시 워드라인 인에이블 부분이다. Sector 0 의 경우를 예로 들면, sector 0 (61)의 B/L0에 연결된 모든 워드라인(W/L 0 ~ W/L i)은 동시에 인에이블 되어 섹터내의 B/L 0에 연결된 모든 셀에 대하여 동시에 과 소거 검증 읽기 동작을 수행한다. 과 소거 검증 읽기 동작 한 개라도 과 소거된 셀이 있을 경우 셀 전류를 흘리게 되어 비트 라인을 로우 상태로 유지한다. 그러나 과 소거된 셀이 없을 경우 상기의 셀들은 오프(off) 상태가 되어 비트 라인은 소정의 레벨로 차징되어 하이 레벨로 독출 된다. 과 소거된 셀이 존재할 확률은 1 % 미만이므로 대부분 검증 성공으로 읽혀진다. 만일 검증 성공으로 판정되면 다음 비트 라인에 대하여 상기의 과 소거 검증 읽기 동작을 수행한다.When the erase verify read operation is started, all word lines connected to the row free decoder 60-2 of FIG. 6 are simultaneously enabled with a predetermined voltage. The most distinctive feature of the conventional sequential word line enable method is this simultaneous word line enable part. For example, in the case of sector 0, all word lines (W / L 0 to W / L i) connected to B / L0 of sector 0 (61) are enabled at the same time, for all cells connected to B / L 0 in the sector. At the same time, an erase erase read operation is performed. Over-Erase Verification Even with any over- erased cell, cell current flows to keep the bit line low. However, when there are no over erased cells, the cells are turned off and the bit line is charged to a predetermined level and read out to a high level. The probability that there are over erased cells is less than 1%, so it is mostly read as verification success. If the verification is successful, the over erase verify read operation is performed on the next bit line.
만일 상기의 과 소거 검증 읽기동작중 특정 비트 라인에 대하여 과 소거 셀이 존재하여 비트 라인 로우 레벨이 검출되면 개개의 워드라인에 대하여 비트 바이 비트(bit by bit)검증 방법을 수행한다. 이러한 비트 바이 비트(bit by bit)검증 방법은 특정 비트 라인에 대하여 워드라인 어드레스를 순차적으로 증가시키는 방법이든, 특정 워드라인에 대하여 컬럼 어드레스를 순차적으로 증가시키는 방법이든 동일한 결과를 얻는다.If a bit line low level is detected due to the presence of an over erase cell for a specific bit line during the over erase verify read operation, a bit by bit verification method is performed on individual word lines. The bit-by-bit verification method achieves the same result whether the word line address is sequentially increased for a specific bit line or the column address is sequentially increased for a specific word line.
제 7 도는 본 발명에 의한 상기의 과 소거 검증 읽기 방법에 대한 플로우 차트를 도시한 그림이다.7 is a flowchart illustrating the over erase verification read method according to the present invention.
과 소거 리페어(repair) 동작에 진입하면 모든 열 어드레스를 "0"으로 세팅(setting)한다.(70) 그후, 선택 섹터의 모든 워드라인을 인에이블 한 후(71 : 예를 들면 제6도의 W/L 0 ~ W/L i) 과 소거 검증 읽기 동작(72)을 수행하며, 읽혀진 데이터를 기준으로 과 소거 셀의 존재 유무를 판정한다.(73) 만일 과 소거 셀이 없으면 다음 열에 대하여 상기의 동작을 반복하고, 과 소거 셀이 존재 할 경우 섹터 내의 첫 번째 열 어드레스만 인에이블 하고(74) 소프트 프로그램 횟수를 지정하는 카운터를 "0"으로 리셋 한다.(75) 그 후 첫 번째행 첫 번째 열에 대한 과 소거 여부를 읽고(76) 만일 과 소거가 되었으면 소프트 프로그램을 수행(78)한다. 여기서 과 소거 셀이 없으면 같은 다음 행에 대하여 상기의 동작을 반복 수행한다. 상기 (78)동작 후 다시 과 소거 여부를 읽어서 역시 과 소거 된 상태이면 정해진 소프트 프로그램 횟수만큼 소프트 프로그램 과정을 반복한다(78, 79, 7-1, 7-6, 7-5)After entering the erase repair operation, all column addresses are set to " 0 " (70). After enabling all word lines of the selected sector (71: for example, W in FIG. 6). / L 0 to W / L i) and the erase verify read operation 72 is performed, and the presence or absence of the over erased cell is determined based on the read data (73). Repeat the operation, enable only the first column address in the sector if there are over erase cells (74), and reset the counter specifying the number of soft programs to "0" (75). Read the over erase of the row (76) and if over erased, then run the soft program (78). If there are no and erase cells, the above operation is repeated for the same next row. After the operation (78), if the over erase operation is read again and the state is over erased, the soft program process is repeated as many times as the predetermined soft program number (78, 79, 7-1, 7-6, 7-5).
만일 상기의 동작들이 선택된 비트 라인의 전체 셀에 대하여 완료되면 열 어드레스는 한 단계 증가하고 다시 상기의 동작을 반복한다. 이러한 동작은 마지막 비트 라인에 대하여 완료 될 때까지 반복 수행된다.If the above operations are completed for all cells of the selected bit line, the column address is increased by one step and the above operation is repeated. This operation is repeated until the last bit line is completed.
노어형 불 휘발성 반도체 메모리 장치의 과 소거 검증 시간 단축을 위한 본발명은 과 소거된 셀이 전제 정규 분포의 0.01 % 미만으로 존재한다는 통계학적 고찰에서 출발하여, 기존의 과 소거 리페어 동작에 있어서 과 소거 검증 읽기 시간을 약 1/15 수준으로 단축 할 수 있는 기술이다.The present invention for reducing the over erase verification time of a NOR type nonvolatile semiconductor memory device starts from the statistical consideration that the over erased cells exist in less than 0.01% of the total normal distribution. This technology can reduce reading time to about 1/15 level.
본 발명을 노어형 불 휘발성 반도체 메모리 장치에 적용할 경우 상기의 과 소거 검증 읽기 시간을 감소시켜 상기 장치의 소거 퍼포먼스(performance)를 향상시킬 수 있다.When the present invention is applied to a NOR type nonvolatile semiconductor memory device, the over erase verification read time may be reduced to improve the erase performance of the device.
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