KR100885914B1

KR100885914B1 - 독출동작 방식을 개선한 불휘발성 메모리 장치 및 그구동방법

Info

Publication number: KR100885914B1
Application number: KR1020070015085A
Authority: KR
Inventors: 강상구; 임영호
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2007-02-13
Filing date: 2007-02-13
Publication date: 2009-02-26
Also published as: CN101246744A; CN101246744B; KR20080075749A; US8023323B2; DE102008009847A1; US20080192541A1

Abstract

전자 누설에 따라 문턱전압 분포가 변화되는 경우, 리드전압의 레벨을 가변하여 독출동작을 수행하는 불휘발성 메모리 장치 및 그 구동방법이 개시된다. 멀티레벨 셀을 포함하는 불휘발성 메모리 장치를 구동하는 방법에 따르면, 제1 리드전압을 이용하여 메모리 셀 어레이에 포함되는 감지 셀(monitoring cell)에 대한 예비(preliminary) 독출동작을 수행하는 단계와, 상기 감지 셀의 독출 결과를 이용하여 상기 감지 셀에 초기 저장된 데이터와 실제 독출된 데이터 값이 서로 동일한지를 판단하는 단계 및 상기 데이터 값이 동일하지 않은 것으로 판단된 경우, 상기 제1 리드전압과 서로 다른 레벨을 갖는 메인 리드전압을 설정하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

독출동작 방식을 개선한 불휘발성 메모리 장치 및 그 구동방법{Non-volatile Memory Device having improved read operation and Driving Method for the same}

도 1a는 싱글레벨 셀의 문턱전압(threshold voltage) 분포도의 일예를 나타내는 도면이다.

도 1b는 멀티레벨 셀의 문턱전압(threshold voltage) 분포도의 일예를 나타내는 도면이다.

도 2는 멀티레벨 셀에서 전자의 누설에 따른 문턱전압의 변화를 나타내는 도면이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 불휘발성 메모리 장치를 나타내는 블록도이다.

도 4a,b,c는 감지 셀(monitoring cell)을 포함하는 메모리 셀 어레이의 구조를 나타내는 블록도이다.

도 5는 문턱전압 분포의 변화에 대응하여 메인 리드전압을 설정하는 예를 나타내기 위한 도이다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 불휘발성 메모리 장치의 구동방법을 나타내는 플로우차트이다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 불휘발성 메모리 장치의 구동방법을 나타내는 플로우차트이다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 불휘발성 메모리 장치의 구동방법을 나타내는 플로우차트이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100: 불휘발성 메모리 장치 110: 메모리 셀 어레이

121: 감지부 122: 멀티플렉서

123: 데이터 출력부 124: 어드레스 발생부

130: 워드라인 전압 발생부 140: 데이터 비교부

150: 컨트롤러 160: 로우 디코더

170: 입출력 버퍼

본 발명은 불휘발성 메모리 장치 및 그 구동방법에 관한 것으로서, 더 자세하게는 메모리 셀의 문턱전압 분포의 변화에 대응하여 리드전압의 레벨을 가변하는 불휘발성 메모리 장치 및 그 구동방법에 관한 것이다.

모바일(Mobile) 시스템 및 여러 가지 응용 시스템의 개발에 따라 불휘발성 메모리인 플래시(flash) 메모리의 요구가 증가되고 있다. 전기적으로 소거 및 프로그램이 가능한 불휘발성 메모리 장치인 플래시 메모리는, 전원이 공급되지 않는 상태에서도 데이터를 보존할 수 있는 특징을 가지고 있으며, 또한 마그네틱 디스크 메모리를 기반으로 하는 저장 매체에 비해 전력 소모가 적으면서도 하드 디스크와 같이 액세스 타임(Access Time)이 빠른 특징을 갖는다.

플래시 메모리는 셀과 비트라인의 연결 상태에 따라 노어(NOR)형과 낸드(NAND)형으로 구분된다. 노어(NOR)형 플래시 메모리는 1개의 비트라인에 2개 이상의 셀 트랜지스터가 병렬로 연결된 형태로서, 채널 핫 일렉트론(channel hot electron) 방식을 사용하여 데이터를 저장하고, F-N 터널링(Fowler-Nordheim tunneling) 방식을 사용하여 데이터를 소거한다. 또한, 낸드(NAND)형 플래시 메모리는 1개의 비트 라인에 2개 이상의 셀 트랜지스터가 직렬로 연결된 형태로서, F-N 터널링 방식을 사용하여 데이터를 저장 및 소거한다. 일반적으로, 노어(NOR)형 플래시 메모리는 전류 소모가 크기 때문에 고집적화에는 불리하지만, 고속화에 용이하게 대처할 수 있는 장점이 있고, 낸드(NAND)형 플래시 메모리는 노어형 플래시 메모리에 비해 적은 셀 전류를 사용하기 때문에, 고집적화에 유리한 장점이 있다.

한편, 플래시 메모리의 저장용량을 증가시키는 방법중의 하나로서 멀티레벨 셀(Multi Level Cell, MLC) 기술이 있다. MLC 기술은 하나의 셀을 여러 단위의 문턱전압으로 프로그램하여, 하나의 메모리 셀에 2 이상의 멀티비트를 저장하는 것으로서, 하나의 메모리 셀에 하나의 비트만을 저장하는 싱글레벨 셀(Single Level Cell, SLC) 기술과 구분된다.

도 1a는 싱글레벨 셀의 문턱전압(threshold voltage) 분포도를 나타내는 도면이다. 도시된 바와 같이 싱글레벨 셀 각각은 1 비트의 데이터를 저장하므로, SLC 형 플래시 메모리의 경우에는 [0],[1] 의 두 가지 상태의 문턱전압을 갖는다. 상기 와 같은 SLC 형 플래시 메모리에서 셀에 저장된 데이터를 독출하기 위해서는, 두 가지 상태의 문턱전압 사이의 값을 갖는 하나의 리드전압(Read Voltage)을 메모리 셀의 워드라인으로 인가한다.

한편, 도 1b는 멀티레벨 셀의 문턱전압(threshold voltage) 분포도를 나타내는 도면이다. 일예로서 하나의 메모리 셀에 2 비트의 데이터가 저장되는 경우가 도시된다. 도시된 바와 같이 멀티레벨 셀 각각이 2 비트의 데이터를 저장하므로, MLC 형 플래시 메모리의 경우에는 [00],[01],[10],[11]의 네 가지 상태의 문턱전압을 갖는다. 상기와 같은 MLC 형 플래시 메모리에서 셀에 저장된 데이터를 독출하기 위해서는 세 개의 리드전압(Read Voltage)이 필요하게 된다.

SLC 형 플래시 메모리에서는 메모리 셀을 두 가지 상태의 문턱전압으로 프로그램하여 데이터를 저장하므로, 각각의 문턱전압 상태의 마진을 충분히 확보할 수 있으나, MLC 형 플래시 메모리의 경우에는 더 다양한 상태의 문턱전압으로 메모리 셀을 프로그램하므로, 데이터를 구분하는 문턱전압 사이의 간격이 현격히 줄어들게 되어 상태들 간의 마진이 작아지게 된다.

한편, 문턱전압의 차이는 플로팅 게이트(Floating gate)에 어느정도의 전자가 저장되었는지에 따라 결정되는데, 상기 플로팅 게이트에 저장된 전자는 시간이 지남에 따라 누설될 수 있으며, 이 경우 셀의 데이터 값을 나타내기 위한 문턱전압이 바뀌게 될 수 있다. 특히 공정이 작아지고 MLC 기술 등이 채용되는 추세에서 상기한 바와 같이 플로팅 게이트에 저장된 전자가 누설되면, 메모리의 신뢰성 지수인 리텐션(retention) 특성이 취약해지게 된다.

도 2는 멀티레벨 셀에서 전자의 누설에 따른 문턱전압의 변화를 나타내는 도면이다. 일예로서 2 비트의 데이터를 저장하는 멀티레벨 셀을 프로그램한 후, 시간이 지남에 따라서 플로팅 게이트에 저장된 전자가 누설됨에 따라 도 2에 도시된 바와 같이 문턱전압의 분포가 쉬프트(shift)되거나 분포폭이 넓어지게 된다.

이와 같은 문턱전압의 분포가 변하게 되면 메모리 셀에 저장된 데이터를 독출함에 있어서 잘못된 결과를 출력할 확률이 높아진다. 일예로서, 데이터 [10]과 [01]을 구분하기 위한 리드전압을 메모리 셀로 인가함에 있어서 만약 상기 리드전압이 Vread[1]로 고정되어 있다면, 데이터 [01]을 저장하고 있던 메모리 셀들 중 일부의 셀들은 전자 누설에 의하여 그 문턱전압이 상기 리드전압 Vread[1] 보다 작아지게 된다. 상기와 같은 문턱전압의 변화가 발생한 메모리 셀의 경우에는, 실제 프로그램한 데이터와 독출한 데이터의 값이 서로 달라지게 되는 문제가 발생한다. 그러나 종래의 플래시 메모리 장치에서는, 프로그램된 전자가 누설됨에 따라 메모리 셀의 문턱전압의 분포가 변함에도 불구하고 고정된 리드전압을 사용하였으므로, 셀 데이터를 독출하는 경우에 오류가 발생할 수 있는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 메모리 셀의 리텐션 특성을 향상하고 독출동작시 오류를 최소화할 수 있는 불휘발성 메모리 장치 및 그 구동방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 멀티레벨 셀을 포함하는 불휘발성 메모리 장치를 구동하는 방법은, 제1 리드전압을 이용하여 메모리 셀 어레이에 포함되는 감지 셀(monitoring cell)에 대한 예비(preliminary) 독출동작을 수행하는 단계와, 상기 감지 셀의 독출 결과를 이용하여 상기 감지 셀에 초기 저장된 데이터와 실제 독출된 데이터 값이 서로 동일한지를 판단하는 단계 및 상기 데이터 값이 동일하지 않은 것으로 판단된 경우, 상기 제1 리드전압과 서로 다른 레벨을 갖는 메인 리드전압을 설정하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 구동방법은, 상기 메인 리드전압을 이용하여 메모리 셀 어레이에 대한 메인(main) 독출동작을 수행하는 단계를 더 구비할 수 있다.

바람직하게는, 상기 메인 리드전압을 설정하는 단계는, 상기 데이터 값이 동일하지 않은 것으로 판단된 경우, 상기 제1 리드전압과 서로 다른 레벨을 갖는 제2 리드전압을 이용하여 상기 감지 셀에 대한 독출동작을 수행하는 단계 및 상기 감지 셀에 초기 저장된 데이터와, 상기 제2 리드전압을 이용하여 실제 독출된 데이터 값이 동일한지를 판단하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는, 상기 메인 리드전압을 설정하는 단계는, 상기 감지 셀에 대한 독출동작 단계 및 상기 데이터 값의 동일여부를 판단하는 단계가 반복되며, 상기 감지 셀에 초기 저장된 데이터와 실제 독출된 데이터 값이 동일한 경우, 상기 독출동작에 이용된 리드전압을 상기 메인 리드전압으로 설정하는 것을 특징으로 한다.

한편 상기 데이터 값이 동일한 것으로 판단된 경우, 상기 제1 리드전압을 상 기 메인 리드전압으로 설정하는 것을 특징으로 한다.

한편 상기 감지 셀은, 상기 메모리 셀 어레이의 프로그램 유닛(Program Unit) 단위마다 배치되며, 상기 감지 셀에 대한 예비 독출동작 결과에 따라, 상기 프로그램 유닛 단위마다 서로 다른 전압레벨을 갖는 메인 리드전압을 인가할 수 있다.

한편, 상기 감지 셀은, 상기 메모리 셀 어레이의 일부 영역에 배치되며, 상기 감지 셀에 대한 예비 독출동작 결과에 따라, 상기 메모리 셀 어레이의 복수의 프로그램 유닛 단위로 동일한 전압 레벨을 갖는 메인 리드전압을 인가할 수 있다.

한편, 상기 감지 셀은 멀티 레벨을 나타내는 복수의 데이터 각각을 저장하는 복수 개의 셀을 포함하며, 상기 복수의 데이터 각각을 독출하기 위한 복수의 리드전압 각각에 대하여 상기 메인 리드전압을 설정하는 단계를 수행할 수 있다.

한편, 상기 감지 셀은 멀티 레벨을 나타내는 복수의 데이터 중 제1 데이터를 저장하는 셀을 포함하며, 상기 제1 데이터를 독출하기 위한 리드전압에 대하여 상기 메인 리드전압을 설정하는 단계를 수행할 수 있다.

한편 상기 구동방법은, 상기 예비 독출동작 수행 전에 메인 리드전압 설정모드가 선택되는 단계를 더 구비할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 불휘발성 메모리 장치의 구동방법에 따르면, 메모리 셀 어레이의 제1 프로그램 유닛 및 이에 대응하는 제1 감지 셀(monitoring cell)이 연결된 제1 워드라인으로 제1 리드전압을 인가하는 단계와, 상기 제1 리드전압을 이용하여 제1 워드라인에 연결된 셀에 대한 독출동작을 수행 하는 단계와, 상기 제1 감지 셀의 독출 결과를 이용하여 상기 제1 감지 셀에 초기 저장된 데이터와 실제 독출된 데이터 값이 서로 동일한지를 판단하는 단계 및 상기 판단 결과 데이터 값이 동일하지 않은 것으로 판단된 경우, 상기 제1 리드전압과 서로 다른 레벨을 갖는 메인 리드전압을 설정하고, 상기 메인 리드전압을 상기 제1 워드라인으로 제공하여 상기 제1 프로그램 유닛에 대한 메인 독출동작을 수행하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.

한편 상기 데이터 값이 동일한 것으로 판단된 경우, 상기 제1 워드라인에 연결된 셀에 대한 독출동작을 수행하는 단계에서 얻어진 상기 제1 프로그램 유닛의 데이터를 외부로 제공하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 멀티레벨 셀을 포함하는 불휘발성 메모리 장치에 따르면, 적어도 하나의 감지 셀(monitoring cell)을 포함하는 메모리 셀 어레이와, 상기 메모리 셀 어레이로 제공되는 워드라인 전압을 발생하는 워드라인 전압 발생부와, 제1 리드전압을 이용하여 독출된 상기 감지 셀의 데이터를 입력받으며, 상기 입력된 감지 셀의 데이터를 기준값과 비교하여 비교신호를 발생하는 데이터 비교부 및 상기 비교신호에 응답하여 상기 워드라인 전압 발생부에서 발생하는 워드라인 전압의 레벨이 조절되도록 제어하는 컨트롤러를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도시된 바와 같이 상기 불휘발성 메모리 장치(100)는, 메모리 셀 어레이(110)와, 워드라인 전압 발생부(130), 데이터 비교부(140) 및 컨트롤러(150)를 구비할 수 있다. 또한 프로그램, 독출 및 소거 등의 전반적인 동작을 수행하기 위하여 감지부(121), 멀티플렉서(122), 데이터 출력부(123), 어드레스 발생부(124), 로우 디코더(160) 및 입출력 버퍼(170) 등을 더 구비할 수 있다.

메모리 셀 어레이(110)는 메인 셀(main cell)과 감지 셀(monitoring cell)을 포함할 수 있다. 상기 메인 셀 및 감지 셀은, 각각의 셀을 복수의 문턱전압들 중 어느 하나의 전압으로 프로그램 함으로써 두 개 이상의 비트들을 저장할 수 있다. 일예로서 각각의 셀이 두 개의 비트를 저장하는 멀티레벨 셀인 경우, 각각의 셀은 네 개의 문턱전압들 중 어느 하나의 문턱전압으로 프로그램될 수 있다.

상기 메모리 셀 어레이(110)에는 적어도 하나의 감지 셀이 포함된다. 메모리 셀 어레이(110)에 구비되는 셀들은 플로팅 게이트에 저장된 전자가 누설됨에 따라 그 문턱전압이 변할 수 있다. 상기 감지 셀의 문턱전압 변화를 감지하고, 상기 감지 셀의 문턱전압 변화 정도를 메모리 셀 어레이(110) 전체의 문턱전압 특성으로 판단한다.

일예로서 불휘발성 메모리 장치(100)가 하나의 워드라인에 연결된 메인 셀이 하나의 프로그램 유닛단위인 경우, 상기 감지 셀은 각각의 프로그램 유닛에 대응하여 배치될 수 있다. 하나의 프로그램 유닛에 대응하여 배치되는 감지 셀은, 복수의 문턱전압들 중 어느 하나의 문턱전압으로 프로그램된 하나의 감지 셀이 배치될 수 있으며, 또는 상기 복수의 문턱전압들 각각으로 프로그램된 복수의 감지 셀이 배치될 수 있다.

한편 상기 감지 셀은 메모리 셀 어레이(110)의 일부 영역에 배치될 수 있다. 메모리 셀 어레이(110)의 일부 영역에 배치되는 감지 셀 또한, 복수의 문턱전압들 중 어느 하나의 문턱전압으로 프로그램된 하나의 감지 셀이 배치될 수 있으며, 또는 상기 복수의 문턱전압들 각각으로 프로그램된 복수의 감지 셀이 배치될 수 있다.

상기 감지부(121)는 메모리 셀 어레이(110)로부터 독출된 데이터를 센싱 증폭하여 출력한다. 또한 멀티플렉서(MUX, 122)는 상기 감지부(121)로부터 센싱, 증폭된 데이터를 입력받아, 이를 멀티플렉싱하여 데이터 출력부(123)로 제공한다. 상기 데이터 출력부(123)는 멀티플렉서(122)로부터 제공받은 데이터를 입출력 버퍼(170)로 출력하며, 상기 입출력 버퍼(170)는 입력된 데이터를 버퍼링하여 외부로 출력한다. 어드레스 발생부(124)는 상기와 같은 일련의 동작을 수행하기 위하여 감지부(121), 멀티플렉서(122) 및 데이터 출력부(123) 등으로 어드레스를 제공한다.

워드라인 전압 발생부(130)는 메모리 셀 어레이(110)에 구비되는 셀들의 워드라인으로 제공되는 전압을 발생한다. 워드라인 전압 발생부(130)에서 발생한 워 드라인 전압은 로우 디코더(160)로 제공된다. 로우 디코더(160)는 어드레스 신호(미도시)에 응답하여, 상기 워드라인 전압을 메모리 셀 어레이(110)의 워드라인으로 제공한다.

한편, 데이터 비교부(140)는 감지 셀의 독출 결과를 입력받아 이를 소정의 기준값과 비교하는 동작을 수행한다. 자세하게는, 상기 감지 셀에 초기 저장된 데이터의 정보를 알 수 있으므로, 데이터 비교부(140)에는 상기 초기 데이터 정보에 대응하는 기준 출력값에 대한 정보가 구비된다. 데이터 비교부(140)는 감지 셀의 실제 독출 결과와 상기 기준 출력값을 비교함으로써, 감지 셀로부터 실제 독출된 데이터와 초기 저장된 데이터 값이 서로 동일한지를 판단하고, 상기 판단 결과에 따른 비교신호를 출력한다.

컨트롤러(150)는 데이터 비교부(140)로부터 상기 비교신호를 입력받으며, 상기 비교신호에 응답하여 워드라인 전압 발생부(130)를 제어한다. 특히, 메모리 셀 어레이(110)의 메인 독출동작시 워드라인 전압 발생부(130)가 리드전압(Read Voltage)을 발생하는 경우에 있어서, 컨트롤러(150)는 상기 비교신호에 응답하여 상기 리드전압의 레벨이 가변하도록 워드라인 전압 발생부(130)를 제어한다.

상기와 같이 구성될 수 있는 불휘발성 메모리 장치(100)의 독출동작을 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 특히 일 실시예로서, 상기 감지 셀은 각각의 프로그램 유닛에 대응하여 배치된다. 또한 각각의 프로그램 유닛에 대응하여 데이터 11, 10, 01, 00 이 각각 저장된 4 개의 감지 셀이 배치된다.

도 4는 문턱전압 분포의 변화에 대응하여 메인 리드전압을 설정하는 예를 나 타내기 위한 도이다. 일예로서 2 비트의 데이터를 저장하는 멀티레벨 셀을 구비하는 메모리 셀 어레이(110)의 독출동작을 위하여 세 개의 리드전압들을 필요로 한다. 상기 리드전압들 중 데이터 10과 01을 구분하기 위한 리드전압에 대해 메인 리드전압을 설정하는 방법은 다음과 같다.

먼저, 메인 독출동작 전에 감지 셀에 대한 예비 독출동작이 수행되며, 상기 감지 셀의 문턱전압 변화에 대응하여 메인 리드전압을 설정하기 위한 모드가 수행된다.

상기 메인 리드전압 설정모드가 수행되면, 워드라인 전압 발생부(130)에서 제1 리드전압(Vread[1])이 발생하며, 제1 리드전압(Vread[1])은 메모리 셀 어레이(110)의 제1 워드라인으로 제공된다. 이에 따라 제1 워드라인에 연결된 셀들에 대한 독출동작이 수행된다.

어드레스 발생부(124)에서 발생하는 소정의 어드레스에 따라, 제1 워드라인에 연결된 감지 셀의 독출 결과가 감지부(121), 멀티플렉서(122) 및 데이터 출력부(123)를 거쳐 데이터 비교부(140)로 제공된다. 자세하게는 데이터 01이 초기에 저장된 감지 셀에 대한 독출 결과가 상기 데이터 비교부(140)로 제공되며, 또한 데이터 비교부(140)에는 상기 감지 셀에 초기 저장된 데이터(일예로서 데이터 01)에 대응하는 기준 출력값에 대한 정보가 구비된다. 데이터 비교부(140)는 상기 감지 셀로부터 실제 독출된 데이터와 상기 감지 셀에 초기 저장된 데이터 값이 서로 동일한지를 판단하고, 상기 판단 결과에 따른 비교신호를 컨트롤러(150)로 출력한다.

도 4에 도시된 바와 같이 전자의 누설 등의 원인에 의하여 상기 감지 셀의 문턱전압이 제1 리드전압(Vread[1])보다 작은 값으로 변하는 경우, 상기 실제 독출된 데이터 값은 기준 출력값과 서로 동일하지 않은 것으로 판단된다. 컨트롤러(150)는 이에 따른 상기 비교신호에 응답하여 워드라인 전압 발생부(130)를 제어한다. 상기 제어에 의하여 워드라인 전압 발생부(130)는 제1 리드전압(Vread[1])과 서로 다른 레벨을 갖는 제2 리드전압(Vread[2])을 발생하고, 제2 리드전압(Vread[2])은 메모리 셀 어레이(110)의 제1 워드라인으로 제공된다

이후 상기 제2 리드전압(Vread[2])을 이용하여 제1 워드라인에 연결된 셀들에 대한 독출동작이 수행된다. 상기 제2 리드전압(Vread[2])을 이용하여 독출된 감지 셀의 데이터가 데이터 비교부(140)로 제공된다. 데이터 비교부(140)는 제2 리드전압(Vread[2])을 이용하여 실제 독출된 데이터와 상기 감지 셀에 초기 저장된 데이터 값이 서로 동일한지를 판단한다.

도 4에 도시된 바와 같이 제2 리드전압(Vread[2])이 상기 감지 셀의 문턱전압보다 작은 경우에는, 상기 데이터 값이 서로 동일한 것으로 판단한다. 컨트롤러(150)는 이에 따른 비교신호에 응답하여 상기 제2 리드전압(Vread[2])을 메인 리드전압으로 설정한다. 컨트롤러(150)는 워드라인 전압 발생부(130)를 제어하여, 상기 제2 리드전압(Vread[2])이 메모리 셀 어레이(110)의 제1 워드라인으로 제공되도록 한다. 이에 따라 상기 제2 리드전압(Vread[2])을 이용하여 제1 워드라인에 연결된 메인 셀에 대한 메인 독출동작이 수행되도록 한다.

한편, 제2 리드전압(Vread[2])이 상기 감지 셀의 문턱전압보다 큰 경우에는, 상기 제2 리드전압(Vread[2])을 이용하여 감지 셀로부터 실제 독출된 데이터와 상 기 감지 셀에 초기 저장된 데이터 값이 서로 동일하지 않게 된다. 이 경우 컨트롤러(150)는, 워드라인 전압 발생부(130)가 제2 리드전압(Vread[1])과 서로 다른 레벨을 갖는 제3 리드전압(Vread[3])을 발생하도록 제어하며, 제3 리드전압(Vread[3])을 이용하여 상술한 바와 같은 과정이 반복된다. 상기 과정의 반복 결과, 제n 리드전압(Vread[n])을 이용하여 감지 셀을 독출한 결과가 상기 감지 셀에 초기 저장된 데이터 값과 동일하게 되는 경우, 컨트롤러(150)는 상기 제n 리드전압(Vread[n])을 메인 리드전압으로 설정한다. 이후 메인 리드전압으로 설정된 제n 리드전압(Vread[n])을 이용하여 제1 워드라인에 연결된 메인 셀에 대한 메인 독출동작이 수행되도록 한다.

한편, 감지 셀의 플로팅 게이트에 저장된 전자의 누설이 미비하여, 상기 감지 셀의 문턱전압이 제1 리드전압(Vread[1])보다 큰 경우에는, 상기 제1 리드전압(Vread[1])을 이용한 감지 셀로부터 독출된 데이터와 상기 감지 셀에 초기 저장된 데이터 값이 서로 동일하게 된다. 컨트롤러(150)는 이에 따른 비교신호에 응답하여 상기 제1 리드전압(Vread[1])을 메인 리드전압으로 설정한다. 이후 메인 리드전압으로 설정된 제1 리드전압(Vread[1])을 제1 워드라인으로 제공하여, 제1 워드라인에 연결된 메인 셀에 대한 메인 독출동작이 수행된다.

상기 제1 워드라인에 연결된 메인 셀에 대한 독출동작이 완료되면, 제2 워드라인에 연결된 메인 셀에 대한 독출동작을 위하여 상술한 바와 같은 과정이 반복된다. 즉, 워드라인 전압 발생부(130)에서 제1 리드전압(Vread[1])이 발생하며, 제1 리드전압(Vread[1])은 메모리 셀 어레이(110)의 제2 워드라인으로 제공된다. 이에 따라 제2 워드라인에 연결된 셀들에 대한 독출동작이 수행된다.

제2 워드라인에 연결된 감지 셀에 대한 독출결과가 데이터 비교부(140)로 제공되면, 데이터 비교부(140)는 제1 리드전압(Vread[1])을 이용한 독출결과와 상기 감지 셀에 초기 저장된 데이터 값이 서로 동일한지를 판단한다. 데이터 값이 서로 동일한 것으로 판단된 경우, 컨트롤러(150)는 데이터 비교부(140)로부터의 비교신호에 응답하여 상기 제1 리드전압(Vread[1])을 메인 리드전압으로 설정한다. 반면 상기 데이터 값이 서로 동일하지 않은 것으로 판단된 경우, 컨트롤러(150)는 데이터 비교부(140)로부터의 비교신호에 응답하여 상기 제1 리드전압(Vread[1])과 다른 레벨을 갖는 메인 리드전압을 설정한다. 이후 상기 설정된 메인 리드전압을 이용하여 제2 워드라인에 연결된 메인 셀에 대한 메인 독출동작이 수행되도록 한다.

메모리 셀 어레이(110)가 N 개의 워드라인을 구비하는 경우, 이후 제3 워드라인 내지 제N 워드라인에 대하여 메인 리드전압을 설정하는 단계가 반복되며, 설정된 메인 리드전압을 이용하여 제3 워드라인 내지 제N 워드라인에 연결된 메인 셀에 대한 독출동작이 수행된다.

멀티레벨 셀을 포함하는 불휘발성 메모리 장치(100)는 복수 개의 리드전압들을 필요로 한다. 바람직한 본원발명의 일실시예에서는 상기 복수 개의 리드전압들 각각에 대하여 메인 리드전압을 설정하도록 한다. 이를 위하여 하나의 프로그램 유닛에 대응하여 복수 개의 감지 셀을 배치하고, 상기 감지 셀을 멀티레벨을 나타내는 각각의 문턱전압으로 프로그램한다.

일예로서 각각의 셀이 2 비트의 데이터를 저장하는 경우, 하나의 프로그램 유닛에 대응하여, 데이터 11, 10, 01, 00이 초기 저장된 감지 셀이 배치되도록 한다. 이 경우 초기 데이터 10이 저장된 감지 셀을 독출하고 데이터 비교 동작을 이용하여 메인 리드전압 Va를 설정한다. 또한 초기 데이터 01이 저장된 감지 셀을 독출하고 데이터 비교 동작을 이용하여 메인 리드전압 Vb를 설정한다. 또한 초기 데이터 00이 저장된 감지 셀을 독출하고 데이터 비교 동작을 이용하여 메인 리드전압 Vc를 설정한다.

한편, 높은 문턱전압으로 프로그램된 메모리 셀의 경우에, 상기와 같은 플로팅 게이트에 저장된 전자의 누설이 큰 문제가 된다. 이에 따라, 하나의 프로그램 유닛에 대응하여 가장 높은 문턱전압으로 프로그램된 하나의 감지 셀만이 배치될 수 있다. 일예로서 각각의 프로그램 유닛에 대응하여 초기 데이터 00이 저장된 감지 셀이 배치될 수 있다. 이 경우 초기 데이터 00이 저장된 감지 셀을 독출하고 데이터 비교 동작을 이용하여 메인 리드전압 Vc를 설정하고, 상기 메인 리드전압 Vc를 이용하여 메인 셀에 대한 독출동작을 수행할 수 있다.

한편, 상술한 실시예에서는 감지 셀이 메모리 셀 어레이(110)의 프로그램 유닛마다 배치됨으로써, 감지 셀의 문턱전압 변화가 해당 프로그램 유닛의 문턱전압 변화를 대표하도록 하였다. 그러나 본원발명의 메모리 셀 어레이(110)의 구조는 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 상기 메모리 셀 어레이(110)의 일부 영역에 감지 셀이 배치될 수 있으며, 감지 셀의 문턱전압 변화가 전체 메모리 셀 어레이(110)의 문턱전압 변화를 대표하도록 할 수 있다. 이 경우 상기 감지 셀의 독출 결과에 따라 메인 리드전압을 설정하여, 메모리 셀 어레이(110)의 전체 워드라인으로 제공할 수 있다. 상기 메모리 셀 어레이(110)의 일부 영역에 배치되는 감지 셀은, 상술하였던 바와 같이 멀티레벨을 나타내는 복수의 문턱전압 각각으로 프로그램되는 복수 개의 셀로 이루어질 수 있다. 또는 전자 누설이 가장 큰 문제가 되는, 일예로서 데이터 00으로 프로그램되는 하나의 셀로 이루어질 수 있다.

도 5a,b,c는 감지 셀(monitoring cell)을 포함하는 메모리 셀 어레이의 구조를 나타내는 블록도이다.

도 5a는 프로그램 유닛 각각에 대응하여 감지 셀이 배치되는 메모리 셀 어레이(110)를 나타낸다. 도시된 바와 같이 메모리 셀 어레이(110)는 N 개의 프로그램 유닛(Program Unit 0 내지 (N-1))과 이에 대응하는 감지 셀(MC0 내지 MC(N-1))을 구비할 수 있다. 또한 워드라인(WL0 내지 WL(N-1))은 각각의 프로그램 유닛과 이에 대응하는 감지 셀에 연결된다. 상기와 같이 메모리 셀 어레이(110)가 배치되는 경우, 감지 셀 MC0의 독출결과를 이용하여 워드라인 WL0에 대한 메인 리드전압을 설정하고, 상기 메인 리드전압을 워드라인 WL0으로 제공하여 프로그램 유닛(Program Unit 0)에 대한 독출동작을 수행한다. 이와 같은 방식에 따라 N 개의 프로그램 유닛 각각에 대한 메인 리드전압을 설정하고, 상기 메인 리드전압을 워드라인(WL0 내지 WL(N-1)) 각각으로 인가하여 프로그램 유닛에 대한 독출동작을 수행한다.

메모리 셀 어레이(110) 구조의 다른 예로서, 도 5b에 도시된 바와 같이 메모리 셀 어레이(110)는 워드라인 WL0 내지 WL(N-1) 각각에 연결되는 N 개의 프로그램 유닛(Program Unit 0 내지 (N-1))을 구비하며, 또한 또 다른 워드라인 RL에 연결되는 감지 셀을 구비할 수 있다. 상기와 같이 메모리 셀 어레이(110)가 배치되는 경 우, 워드라인 RL로 리드전압을 인가하여 감지 셀에 저장된 데이터를 독출하고, 상기 독출결과를 이용하여 메인 리드전압을 설정한다. 상기 메인 리드전압은 워드라인 WL0 내지 WL(N-1)으로 인가되며, 이에 따라 N 개의 프로그램 유닛(Program Unit 0 내지 (N-1))에 대한 독출동작이 수행된다.

메모리 셀 어레이(110) 구조의 또 다른 예로서, 도 5c에 도시된 바와 같이 메모리 셀 어레이(110)는 워드라인 WL0 내지 WL(N-1) 각각에 연결되는 N 개의 프로그램 유닛(Program Unit 0 내지 (N-1))을 구비하며, 또한 상기 복수의 워드라인 중 일부의 워드라인(예를 들면 워드라인 WL(N-1))에 연결되는 감지셀(MC)을 구비할 수 있다. 이 경우 상기 워드라인 WL(N-1)에 리드전압을 인가하여 감지 셀(MC)에 저장된 데이터를 독출하며, 상기 독출 결과를 이용하여 메인 리드전압을 설정할 수 있다. 설정된 메인 리드전압은 워드라인 WL0 내지 WL(N-1)으로 인가되며, 이에 따라 N 개의 프로그램 유닛(Program Unit 0 내지 (N-1))에 대한 독출동작이 수행된다.

도시된 바와 같이 먼저 메인 리드전압을 설정하는 모드가 선택되는 단계가 수행된다(S110). 상기 메인 리드전압을 설정하는 모드가 선택적으로 이루어지도록 하기 위하여, 퓨즈 컷팅(fuse cutting), 본딩 옵션(bonding option) 또는 소정의 명령신호(command)등과 같은 일반적인 모드 변경수단이 구비될 수 있다.

상기 모드가 선택되면, 제1 리드전압을 메모리 셀 어레이로 인가하는 단계가 수행된다(S120). 상기 제1 리드전압은 메모리 셀 어레이에 구비되는 감지 셀의 게 이트로 인가되며, 이에 따라 상기 감지 셀에 저장된 데이터를 독출하는 단계가 수행된다(S130).

한편, 상기 감지 셀에 초기 저장된 데이터의 정보를 알 수 있으므로, 소정의 리드전압으로 상기 감지 셀을 독출하는 경우의 결과값을 알 수 있다. 상기 결과값이 기준 출력값으로서 메모리 장치에 구비되며, 제1 리드전압에 의한 감지 셀의 실제 독출 결과와 상기 기준 출력값을 이용하여, 감지 셀에 초기 저장된 데이터와 실제 독출된 데이터의 정보와 비교되는 단계가 수행된다(S140). 상기 비교 동작에 의하여, 감지 셀로부터 독출된 데이터와 상기 초기 데이터 정보가 동일한지 여부를 판단한다(S150).

상기 판단 결과 데이터 값이 서로 동일한 것으로 판단되면, 상기 감지 셀의 독출에 이용되었던 제1 리드전압을 메인 리드전압으로 설정하며, 상기 메인 리드전압을 메모리 셀 어레이로 인가하는 단계가 수행된다(S161). 또한 인가된 메인 리드전압을 이용하여 메인 셀에 대한 독출동작이 수행된다(S162).

한편, 상기 판단 결과 데이터 값이 서로 동일하지 않은 것으로 판단되면, 제1 리드전압과 다른 레벨을 갖는 메인 리드전압을 설정하는 단계가 수행된다(S171). 이후 설정된 메인 리드전압을 메모리 셀 어레이로 인가하는 단계가 수행되며(S172), 상기 메인 리드전압을 이용하여 메인 셀에 대한 독출동작이 수행된다(S173).

한편, 제1 리드전압과 다른 레벨을 갖는 메인 리드전압을 설정함에 있어서, 상기 제1 리드전압에 대비하여 소정의 레벨차를 갖는 전압을 미리 설정할 수 있다. 상기 판단 결과 데이터 값이 서로 동일하지 않은 것으로 판단되면, 상기 미리 설정된 전압을 메인 리드전압으로 설정할 수 있다.

또는, n 개의 리드전압을 미리 설정한 후, 제1 리드전압을 이용하여 감지 셀의 데이터 독출 및 데이터 비교 동작을 수행한다. 상기 판단 결과 데이터 값이 서로 동일하지 않은 것으로 판단되면, 제2 리드전압을 이용하여 상기 동작을 반복한다. 상기 과정의 반복을 통하여 데이터 값이 서로 동일하게 되는 리드전압을 찾아내고, 상기 찾아낸 리드전압을 메인 리드전압으로 설정할 수 있다.

도시된 바와 같이 먼저 메인 리드전압을 설정하는 모드가 선택되는 단계가 수행된다(S210). 또한 n=1 값으로 설정되며(S220), 리드전압 Vead[1]을 메모리 셀 어레이로 인가하는 단계가 수행된다(S230).

리드전압 Vead[1]이 워드라인을 통하여 메모리 셀 어레이로 인가되면, 상기 워드라인에 연결된 감지 셀에 대한 독출동작이 수행된다(S240). 또한 리드전압 Vead[1]에 의해 감지 셀로부터 독출된 데이터가, 상기 감지 셀에 초기 저장된 데이터의 정보와 비교되는 단계가 수행된다(S250). 상기 비교 동작에 의하여, 감지 셀로부터 독출된 데이터와 상기 초기 데이터 정보가 동일한지 여부를 판단한다(S260).

상기 판단 결과 데이터 값이 서로 동일한 것으로 판단되면, 상기 리드전압 Vead[1]이 메인 리드전압으로 설정되며(S271), 상기 설정된 메인 리드전압이 메모 리 셀 어레이로 인가된다(S272). 이에 따라 메모리 셀 어레이로 인가된 메인 리드전압에 의하여 메인 셀에 대한 독출동작이 수행된다(S273).

한편, 상기 판단 결과 데이터 값이 서로 동일하지 않은 것으로 판단되면, n=2 값으로 설정되며(S281), 리드전압 Vead[2]을 메모리 셀 어레이로 인가하는 단계가 수행된다. 이후 상기 리드전압 Vead[2]에 대하여 단계 S230 내지 S260 가 수행된다. 판단 결과 데이터 값이 서로 동일한 것으로 판단되면 리드전압 Vead[2]이 메인 리드전압으로 설정되며, 판단 결과 데이터 값이 서로 동일하지 않은 것으로 판단되면 리드전압 Vead[3]을 이용하여 상기와 같은 단계를 반복 수행한다.

도 8은 본 발명의 또 다른실시예에 따른 불휘발성 메모리 장치의 구동방법을 나타내는 플로우차트이다.

먼저 메인 리드전압을 설정하는 모드가 선택되는 단계가 수행된다(S310). 또한 n=1 값으로 설정되며(S320), 메모리 셀 어레이의 제1 워드라인으로 제1 리드전압이 인가되는 단계가 수행된다(S330).

제1 워드라인에는 프로그램 유닛 단위의 메인 셀이 연결되며, 또한 이에 대응하는 감지 셀이 연결된다. 제1 워드라인으로 제1 리드전압이 인가됨에 따라, 상기 제1 워드라인에 연결된 메인 셀 및 감지 셀에 대한 독출동작이 수행된다(S340).

이후, 상기 감지 셀을 독출하여 얻어진 데이터가, 상기 감지 셀에 초기 저장된 데이터의 정보와 비교되는 단계가 수행된다(S350). 상기 비교 동작에 의하여, 감지 셀로부터 독출된 데이터와 상기 초기 데이터 정보가 동일한지 여부를 판단한다(S360).

상기 판단 결과 데이터 값이 서로 동일한 것으로 판단되면, 상기 메인 셀에 대한 독출동작에 의해 얻어진 데이터를 외부로 출력하는 단계가 수행된다(S371). 이에 따라 동일한 리드전압을 상기 제1 워드라인에 인가하는 단계와, 메인 셀에 대한 재 독출동작이 수행되는 단계를 생략할 수 있다.

한편, 상기 판단 결과 데이터 값이 서로 동일하지 않은 것으로 판단되면, 상기 제1 리드전압과 서로 다른 레벨을 갖는 메인 리드전압을 설정하고(S381), 상기 설정된 메인 리드전압을 제1 워드라인으로 재인가한다(S382). 이에 따라 제1 워드라인에 연결된 메인 셀에 대한 독출동작을 수행한다(S383).

제1 워드라인에 연결된 메인 셀에 대한 독출동작이 완료되면, 메모리 셀 어레이에 구비되는 전체 프로그램 유닛에 대해 독출동작을 완료하였는지 판단한다(S390). 완료되지 않은 것으로 판단되면 n=2 값으로 설정되며(S391), 메모리 셀 어레이의 제2 워드라인으로 제1 리드전압이 인가되는 단계가 수행된다. 이후 제2 워드라인에 대하여 단계 S330 내지 S390 가 수행된다. 상술한 바와 같은 단계는 또한 제3 워드라인 내지 제N 워드라인에 대하여 반복 수행되며, 이에 따라 메모리 셀 어레이 전체에 대한 독출동작이 수행된다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 불휘발성 메모리 장치는, 전자의 누설 등의 원인으로 인하여 메모리 셀의 문턱전압의 레벨이 변하는 경우에도, 데이터 독출동작시 에러발생을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

Claims

멀티레벨 셀을 포함하는 불휘발성 메모리 장치를 구동하는 방법에 있어서,

제1 리드전압을 이용하여 메모리 셀 어레이에 포함되는 감지 셀(monitoring cell)에 대한 예비(preliminary) 독출동작을 수행하는 단계;

상기 감지 셀의 독출 결과를 이용하여 상기 감지 셀에 초기 저장된 데이터와 실제 독출된 데이터 값이 서로 동일한지를 판단하는 단계; 및

상기 데이터 값이 동일하지 않은 것으로 판단된 경우, 상기 제1 리드전압과 서로 다른 레벨을 갖는 메인 리드전압을 설정하는 단계를 구비하며,

상기 메인 리드전압을 설정하는 단계는,

상기 데이터 값이 동일하지 않은 것으로 판단된 경우, 상기 제1 리드전압과 서로 다른 레벨을 갖는 기 설정된 복수의 리드전압을 이용하여 감지 셀에 대한 독출동작을 반복하고, 상기 기 설정된 복수의 리드전압들 중 상기 감지 셀에 초기 저장된 데이터와 상기 감지 셀로부터 실제 독출된 데이터 값이 동일한 경우의 예비 독출동작에 이용된 리드전압을 상기 메인 리드전압으로 설정하며,

상기 감지 셀은 멀티 레벨을 나타내는 복수의 데이터 각각을 저장하는 복수 개의 셀을 포함하며, 상기 복수의 데이터 각각을 독출하기 위한 복수의 리드전압 각각에 대하여 상기 메인 리드전압을 설정하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 메모리 장치의 구동방법.
제1항에 있어서,

상기 메인 리드전압을 이용하여 메모리 셀 어레이에 대한 메인(main) 독출동작을 수행하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 메모리 장치의 구동방법.
제2항에 있어서, 상기 메인 리드전압을 설정하는 단계는,

상기 데이터 값이 동일하지 않은 것으로 판단된 경우, 상기 제1 리드전압과 서로 다른 레벨을 갖는 제2 리드전압을 이용하여 상기 감지 셀에 대한 독출동작을 수행하는 단계; 및

상기 감지 셀에 초기 저장된 데이터와, 상기 제2 리드전압을 이용하여 실제 독출된 데이터 값이 동일한지를 판단하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 메모리 장치의 구동방법.
삭제
제1항에 있어서,

상기 데이터 값이 동일한 것으로 판단된 경우, 상기 제1 리드전압을 상기 메인 리드전압으로 설정하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 메모리 장치의 구동방법.
제1항에 있어서,

상기 감지 셀은, 상기 메모리 셀 어레이의 프로그램 유닛(Program Unit) 단위마다 배치되며,

상기 감지 셀에 대한 예비 독출동작 결과에 따라, 상기 프로그램 유닛 단위마다 서로 다른 전압레벨을 갖는 메인 리드전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 불 휘발성 메모리 장치의 구동방법.
제1항에 있어서,

상기 감지 셀은, 상기 메모리 셀 어레이의 일부 영역에 배치되며,

상기 감지 셀에 대한 예비 독출동작 결과에 따라, 상기 메모리 셀 어레이의 복수의 프로그램 유닛 단위로 동일한 전압 레벨을 갖는 메인 리드전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 메모리 장치의 구동방법.
삭제
삭제
제1항에 있어서,

상기 예비 독출동작 수행 전에 메인 리드전압 설정모드가 선택되는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 메모리 장치의 구동방법.
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