KR100933857B1 - 불휘발성 메모리 장치 및 그 동작 방법 - Google Patents

불휘발성 메모리 장치 및 그 동작 방법 Download PDF

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Abstract

본원 발명은 불휘발성 메모리 장치의 프로그램 전압을 프로그램/소거 동작 횟수에 따라 가변적으로 제어하기 위하여, 메모리 셀에 대하여 프로그램 전압을 인가하는 프로그램 전압 공급부와, 불휘발성 메모리 장치의 전체 프로그램/소거 동작 횟수를 저장하는 프로그램/소거 횟수 저장부와, 상기 프로그램/소거 동작의 횟수에 따라 상이하게 공급할 프로그램 시작 전압의 레벨들을 저장하는 프로그램 시작전압 저장부와, 상기 프로그램/소거 동작의 횟수에 따라 프로그램 시작 전압을 변경시키도록 제어하는 프로그램 전압 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
프로그램/소거 동작 횟수, 불휘발성 메모리 장치

Description

불휘발성 메모리 장치 및 그 동작 방법{Non volatile memory device and method for operating thereof}
본원 발명은 불휘발성 메모리 장치의 프로그램 전압을 프로그램/소거 동작 횟수에 따라 가변적으로 제어하는 불휘발성 메모리 장치 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
최근 들어 전기적으로 프로그램(program)과 소거(erase)가 가능하고, 일정 주기로 데이터를 재작성해야하는 리프레시(refresh) 기능이 필요 없는 불휘발성 메모리 소자에 대한 수요가 증가하고 있다.
이러한 불휘발성 메모리 장치를 사용함에 있어서, 프로그램/소거 동작을 지속적으로 반복하게 되는데 그 횟수가 증가할수록 각 메모리 셀들의 프로그램 속도가 빨라지는 현상이 알려져 있다.
이와 같은 현상을 막고 프로그램 속도를 일정하게 하기 위하여, 최초 프로그램 동작시에 인가되는 프로그램 시작전압을 낮게 인가하는 방법이 사용되기도 한다. 즉, ISPP(Incremental step pulse program) 프로그램 방법에 따라 프로그램 동작을 하는데 있어서, 프로그램 시작 전압을 통상적인 경우보다 낮게 인가하여 프로 그램 속도가 빨라지는 현상을 방지하고자 하는 방법이다.
다만, 이러한 경우 프로그램 시작 전압이 낮기 때문에, 최초 시작부터 어느정도 단계까지는 프로그램되는데 소요되는 시간이 길어지는 문제점이 있다.
따라서, 전체 프로그램 시간을 증가시키지 않으면서도 프로그램/소거 동작의 증가에 따른 프로그램 속도 증가 현상을 방지할 수 있는 불휘발성 메모리 장치가 필요하다.
전술한 필요성에 따라, 미리 지정된 프로그램/소거 동작 횟수에 따라 프로그램 시작 전압을 재설정하는 불휘발성 메모리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 상기 불휘발성 메모리 장치를 이용한 동작 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본원 발명의 불휘발성 메모리 장치는 메모리 셀에 대하여 프로그램 전압을 인가하는 프로그램 전압 공급부와, 불휘발성 메모리 장치의 전체 프로그램/소거 동작 횟수를 저장하는 프로그램/소거 횟수 저장부와, 상기 프로그램/소거 동작의 횟수에 따라 상이하게 공급할 프로그램 시작 전압의 레벨들을 저장하는 프로그램 시작전압 저장부와, 상기 프로그램/소거 동작의 횟수에 따라 프로그램 시작 전압을 변경시키도록 제어하는 프로그램 전압 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본원 발명의 불휘발성 메모리 장치의 동작 방법은 프로그램/소거 횟수가 제1 재설정 기준값에 해당 될 때까지 특정 프로그램 시작전압에 따른 프로그램/소거 동작을 반복하는 단계와, 상기 프로그램/소거 횟수가 제1 재설정 기준값에 해당되는 경우 상기 특정 프로그램 시작전압을 감소시키는 단계와, 프로그램/소거 횟수가 상기 제1 재설정 기준값 보다 큰 제2 재설정 기준값에 해당 될 때까지 상기 감소된 프로그램 시작전압에 따른 프로그램/소거 동작을 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본원 발명의 불휘발성 메모리 장치의 동작 방법은 오름차순으로 정렬된 복수의 재설정 기준값이 제공되는 단계와, 프로그램/소거 동작의 반복중 프로그램/소거 동작 횟수가 특정 재설정 기준값에 도달할 때마다 프로그램 시작 전압을 감소시켜 프로그램/소거 동작을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 구성에 따라 미리 지정된 프로그램/소거 동작 횟수에 따라 프로그램 시작 전압을 재설정할 수 있다. 즉, 불휘발성 메모리 장치의 동작중에 특정 프로그램/소거 동작 횟수에 도달하게 되면 ISPP의 프로그램 시작 전압을 감소시켜 프로그램을 수행한다.
그 결과, 프로그램 속도가 상대적으로 빠른 셀들이 정상적인 문턱전압의 분포를 벗어나는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 프로그램/소거 동작횟수의 변화와 관계없이 프로그램 펄스의 인가횟수를 일정하게 유지할 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본원 발명의 바람직한 실시예를 상세히 살펴보기로 한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발며의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1a는 통상적인 불휘발성 메모리 장치의 프로그램/소거 동작의 반복에 따른 문턱 전압의 분포를 도시한 도면이고, 도 1b는 상기 불휘발성 메모리 장치의 프로그램 동작시에 인가되는 프로그램 전압을 도시한 도면이다.
도 1a의 첫번째 그래프는 프로그램/소거 동작의 횟수가 1인 경우의 문턱전압의 분포를 도시하였다.
두번째 그래프는 프로그램/소거 동작의 횟수가 1K(1000) 인 경우의 문턱전압의 분포를 도시하였다. 첫번째 그래프에 비하여 프로그램된 셀의 문턱전압의 분포가 넓어졌음을 알 수 있다.
세번째 그래프는 프로그램/소거 동작의 횟수가 더욱 증가한 경우를 도시한 것으로, 첫번째 , 두번째 그래프에 비하여 프로그램된 셀의 문턱전압의 분포가 더욱 넓어졌음을 알 수 있다.
이는 프로그램/소거 동작의 횟수가 증가할수록 불휘발성 메모리 셀의 프로그램 속도가 빨라지는 특성에서 기인한다. 즉, 프로그램/소거 동작을 반복할수록 동일한 프로그램 전압을 인가하더라도 더욱 빨리 프로그램되는 셀들이 많아진다는 의미이다.
이러한 경향에도 불구하고 각 셀들에 인가하는 프로그램 전압은 도 1b와 같이 동일하게 인가하고 있다. ISPP(Incremental step pulse program) 방법에 따라 동일한 시작전압을 기준으로 일정량씩 증가시킨 프로그램 펄스를 인가하고 있다.
이와 같이, 프로그램/소거 동작의 횟수와 무관하게 동일한 프로그램 전압을 인가하게 되므로, 프로그램/소거 동작의 횟수가 높아진 상태에서 프로그램 동작을 하게 될 경우 해당 셀들의 문턱전압의 분포는 도 1a의 세번째와 같이 넓어지게 된다.
최근 불휘발성 메모리 장치의 동작에 멀티 레벨 셀 프로그램이 널리 적용되고 있는 상황에서 이와 같이 프로그램/소거 동작의 횟수에 따라 문턱전압의 분포가 넓어지는점을 개선할 필요가 있다.
도 2는 본원 발명의 일실시예에 따른 불휘발성 메모리 장치를 도시한 도면이다.
상기 불휘발성 메모리 장치(200)는 데이터가 프로그램되는 메모리 셀(210)과, 상기 메모리 셀(220)에 대하여 프로그램 전압을 인가하는 프로그램 전압 공급부(220)와, 불휘발성 메모리 장치의 전체 프로그램/소거 동작 횟수를 저장하는 프로그램/소거 횟수 저장부(230)와, 상기 프로그램/소거 동작의 횟수에 따라 공급할 프로그램 시작 전압의 레벨들을 저장하는 프로그램 시작전압 저장부(240)와, 프로그램/소거 동작의 횟수에 따라 프로그램 시작 전압을 변경시키도록 제어하는 프로그램 전압 제어부(250)를 포함한다.
각 구성요소에 대하여 더욱 상세히 살펴보기로 한다.
상기 메모리 셀(210)은 불휘발성 메모리 셀에 해당된다. 앞서 언급한 바와 같이 상기 메모리 셀(210)은 프로그램/소거 동작의 횟수에 따라 프로그램 속도가 증가하는 경향이 있어 이를 반영하여 프로그램 전압을 변경시켜 공급한다.
상기 프로그램 전압 공급부(220)는 상기 메모리 셀(210)에 대하여 프로그램 전압을 공급한다.
ISPP 방식에 따라 시작 프로그램 전압을 스텝 전압만큼 지속적으로 상승시켜 인가하게 된다.
상기 프로그램 전압 공급부(210)는 상기 프로그램 전압 제어부(250)에 응답하여 상기 시작 프로그램 전압을 가변하여 공급한다.
프로그램/소거 동작 회수가 증가하여 프로그램 속도가 빠르다고 판단되면, 상기 시작 프로그램을 낮춰서 공급하는 것이다. 이때 낮춰서 공급하는 정도는 단위 스텝 전압 정도로 한다. 예를 들어, 스텝 전압이 0.5V 라고 가정하면 프로그램의 속도가 높다고 판단될 때, 0.5V 단위로 감소시키는 것이다.
상기 프로그램/소거 횟수 저장부(230)는 불휘발성 메모리 장치의 동작 동안 수행된 전체 프로그램/소거 동작 횟수를 저장한다.
불휘발성 메모리 장치에 전원 공급이 중단되는 경우에도 해당 횟수를 저장할 수 있도록 불휘발 특성을 갖는 메모리로 구성한다.
도면에는, 제어부에 포함되는 것으로 도시되어있으나, 실시예에 따라 메모리 영역에 포함되도록 구성할 수 있다.
상기 프로그램 시작전압 저장부(240)는 프로그램/소거 횟수에 따라 공급할 복수의 프로그램 시작 전압의 레벨을 저장할 복수의 레지스터(242, 244, 246)를 포함한다.
각 프로그램 소거/횟수에 맞는 프로그램 시작 전압의 레벨들을 저장하고 있다가, 프로그램 전압 제어부(250)에 의하여 해당하는 데이터가 프로그램 전압 공급부(220)에 전송된다.
예를 들어, 제1 프로그램 시작 전압의 레벨은 제1 레지스터(242)에 저장되었다가 상기 프로그램 전압 공급부(220)에 전달된다. 또한, 제2 프로그램 시작 전압의 레벨은 제2 레지스터(244)에 저장되었다가 상기 프로그램 전압 공급부(220)에 전달된다. 마찬가지로, 제N 프로그램 시작 전압의 레벨은 제N 레지스터(246)에 저장되었다가 상기 프로그램 전압 공급부(220)에 전달된다.
각 프로그램 시작 전압은 실시예에 따라 상기 ISPP 프로그램에서의 스텝전압만큼 차이가 나도록 저장된다.
즉, 프로그램 시작전압이 16V 이고, 스텝전압이 0.5V 인 경우에는 제1 레지스터에 16V, 제2 레지스터에 15.5V, 제3 레지스터에 15V 등이 저장되는 방식이다.
이와 같이 선형적으로 감소하는 방식 외에도, 불휘발성 메모리 장치의 특성에 따라 비선형적으로 감소하도록 프로그램 시작전압을 저장할 수도 있다.
상기 프로그램 전압 제어부(250)는 프로그램/소거 동작의 횟수에 따라 프로그램 전압을 감소시킬 것인지 여부를 결정한다.
본원 발명에서는 프로그램/소거 동작의 횟수가 증가할수록 프로그램 속도가 빨라지는 불휘발성 메모리 셀들의 특성을 반영하여 특정 횟수별로 프로그램 시작 전압을 재설정한다.
상기 프로그램 시작전압을 재설정할 프로그램/소거 동작 횟수를 재설정 기준값(Ref(n))이라 한다.
예를 들어, 상기 재설정 기준값으로는 다음과 같은 값을 설정할 수 있다.
Ref(n)={1, 1K, 5K, 10K, 15K, 20K ...}
또는, Ref(n)={1, 1K, 10K, 20K, 30K ...}
또는, Ref(n)={1, 1K, 10K, 100K, 1000K ...}
이때, 재설정 기준값은 불휘발성 메모리 장치의 특성에 따라 설계자가 변경가능하다.
한편, 상기 재설정 기준값이 변경될 때마다 프로그램 시작 전압을 감소시키는 방향으로 변경한다.
즉, 프로그램/소거 동작을 하지 않았던 경우 최초로 인가되는 프로그램 시작 전압을 Vs(0) 라고 할때, 그 다음 재설정 기준값이 되면 상기 프로그램 시작전압을 변경하여 인가한다. 상기 프로그램 시작전압은 Vs(n)로 나타낸다.
n=0 일때, 즉 최초 프로그램 동작시에는 상기 제1 레지스터(242)에 저장된 제1 프로그램 시작전압(Vs(1))을 상기 프로그램 전압 공급부(220)에 전송시킨다.
n=1 일때, 즉 프로그램/소거 동작 횟수가 제1 재설정 기준값(Ref(1))과 같은 경우에는 상기 제2 레지스터(244)에 저장된 제2 프로그램 시작전압(Vs(1))을 상기 프로그램 전압 공급부(220)에 인가한다.
n=N 일때, 즉 프로그램/소거 동작 횟수가 제N 재설정 기준값(Ref(N))과 같은 경우에는 상기 제N+1 레지스터(246)에 저장된 제N+1 프로그램 시작전압(Vs(N))을 상기 프로그램 전압 공급부(220)에 인가한다.
이제 상기 불휘발성 메모리 장치의 구체적인 동작을 살펴보기로 한다.
도 3은 상기 불휘발성 메모리 장치의 동작 방법을 도시한 순서도이다.
먼저 제1 프로그램 시작전압에 따라 프로그램 동작을 개시한다(단계 310).
초기에는 프로그램/소거 동작 횟수가 크게 영향을 미치지 않기 때문에 통상적으로 인가하는 프로그램 시작전압을 인가한다.
다음으로, 상기 프로그램/소거 동작 횟수가 선정된 재설정 기준값에 해당하는지를 판단한다(단계 320).
상기 재설정 기준값은 상기 프로그램 시작전압을 재설정할 프로그램/소거 동작 횟수를 의미하며, 그 실시예는 앞에 언급한 바와 같다.
상기 판단결과, 상기 프로그램/소거 동작 횟수가 재설정 기준값에 해당하지 않는 경우에는 프로그램/소거 동작을 반복하여 실시한다(단계 340).
동작중에 목표로 하는 전체 프로그램/소거 동작이 완료되면 동작이 중지된다(단계 350). 다만, 이는 도 3에 도시된 실시예 자체가 중지된다는 의미는 아니다. 즉, 어플리케이션에 따라 일시적으로 동작이 중지될 수는 있으나, 불휘발성 메모리 장치가 다시 동작하면, 상기 알고리즘은 재수행된다.
상기 판단결과, 상기 프로그램/소거 동작 횟수가 재설정 기준값에 해당하는 경우에는 프로그램 시작전압을 변경한다(단계 330).
현재 상태에서는 프로그램/소거 동작 횟수가 제1 재설정 기준값(Ref(1))과 같은 경우이므로, 상기 프로그램 시작 전압 저장부(240)의 제2 레지스터(244)에 저장된 제2 프로그램 시작전압(Vs(1))을 상기 프로그램 전압 공급부(220)에 인가한다.
다음으로, 상기 재설정 기준값을 변경한다(단계 332).
상기 재설정 기준값을 차순위 재설정 기준값으로 변경하며, 차순위 재설정 기준값에 도달할때 까지 프로그램/소거 동작을 반복 실시한다(단계 340).
이후, 프로그램/소거 동작 횟수가 증가하여, 다시 상기 판단 단계(320)를 거친 후에는 제2 재설정 기준값(Ref(2))에 맞는 제3 프로그램 시작전압(Vs(2))을 상기 프로그램 전압 공급부(220)에 인가한다.
이후, 상기 프로그램/소거 동작 횟수가 지속적으로 증가하여, 상기 판단 단 계(320)를 수회 거친 후에는 제N 재설정 기준값(Ref(N))에 맞는 제N+1 프로그램 시작전압(Vs(N))을 상기 프로그램 전압 공급부(220)에 인가한다.
도 4a는 본원 발명의 일 실시예에 따른 불휘발성 메모리 장치의 프로그램 동작시에 인가되는 프로그램 전압을 도시한 도면이고, 도 4b는 상기 프로그램 전압의 인가시에 예상되는 문턱 전압의 분포를 도시한 도면이다.
도 4a 를 참조하면, 첫번째 도면에 최초 프로그램시 인가되는 ISPP 프로그램 전압이 도시되어 있다. 프로그램 시작전압은 16V이고 스텝 전압은 0.5V 인 것을 알수 있다. 이때 상기 수치는 설계자의 의도에 따라 변경가능하다.
두번째 도면은 프로그램/소거 동작 횟수가 1K 일때 인가되는 ISPP 프로그램 전압을 도시하고 있다. 프로그램 시작 전압이 최초 프로그램 시작전압에 비하여 0.5V 가량 감소되어 있다. 스텝 전압은 0.5V 이다. 이때, 변경된 시작전압은 하나의 예시에 불과하며, 메모리 셀의 특성에 따라 설계자가 충분히 변경가능한 수치이다.
세번째 도면은 프로그램/소거 동작 횟수가 NK 일때 인가되는 ISPP 프로그램 전압을 도시하고 있다. 이때, 프로그램 시작 전압 nV는 최초 프로그램 시작전압에 감소된 전압을 의미한다.
도 4b를 참조하면, 이와 같은 본원발명의 구성에 따라 프로그램/소거 횟수가 증가하더라도 문턱전압의 분포에는 크게 차이가 없는 분포가 나타나게 됨을 알 수 있다. 즉, 불휘발성 메모리 장치를 수회 동작시키더라도 최초에 동작시켰던 것과 동일한 성능을 나타내게 된다.
도 1a는 통상적인 불휘발성 메모리 장치의 프로그램/소거 동작의 반복에 따른 문턱 전압의 분포를 도시한 도면이다.
도 1b는 상기 불휘발성 메모리 장치의 프로그램 동작시에 인가되는 프로그램 전압을 도시한 도면이다.
도 2는 본원 발명의 일실시예에 따른 불휘발성 메모리 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 상기 불휘발성 메모리 장치의 동작 방법을 도시한 순서도 이다.
도 4a는 본원 발명의 일 실시예에 따른 불휘발성 메모리 장치의 프로그램 동작시에 인가되는 프로그램 전압을 도시한 도면이다.
도 4b는 상기 프로그램 전압의 인가시에 예상되는 문턱 전압의 분포를 도시한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
200: 불휘발성 메모리 장치
210: 메모리 셀
220: 프로그램 전압 공급부
230: 프로그램/소거 횟수 저장부
240: 프로그램 시작 전압 저장부
250: 프로그램 전압 제어부

Claims (9)

  1. 메모리 셀에 대하여 프로그램 전압을 인가하는 프로그램 전압 공급부와,
    불휘발성 메모리 장치의 전체 프로그램/소거 동작 횟수를 저장하는 프로그램/소거 횟수 저장부와,
    상기 프로그램/소거 동작의 횟수에 따라 상이하게 공급할 프로그램 시작 전압의 레벨들을 저장하는 프로그램 시작전압 저장부와,
    상기 프로그램/소거 동작의 횟수에 따라 프로그램 시작 전압을 변경시키도록 제어하는 프로그램 전압 제어부를 포함하고,
    상기 프로그램 시작 전압 저장부는, 서로 다른 프로그램 시작전압들을 저장하는 복수의 레지스터를 포함하고, 상기 프로그램 시작전압들은 프로그램 전압을 ISPP(Incrment Step Pulse Program) 방식으로 인가할때의 스텝 전압 크기단위로 달라지는 전압레벨들인 것을 특징으로 하는 불휘발성 메모리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 프로그램/소거 횟수 저장부는 전원 공급이 중단되는 경우에도 해당 횟수를 저장할 수 있는 불휘발 특성의 메모리를 포함하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 메모리 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 프로그램 전압 제어부는 프로그램/소거 횟수가 선정된 재설정 기준값에 해당하는 경우 상기 프로그램 시작전압 저장부로부터 상기 재설정 기준값에 해당하는 프로그램 시작전압을 프로그램 전압 공급부에 전달하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 메모리 장치.
  5. 프로그램/소거 횟수가 제1 재설정 기준값에 해당 될 때까지 특정 프로그램 시작전압에 따른 프로그램/소거 동작을 반복하는 단계와,
    상기 프로그램/소거 횟수가 제1 재설정 기준값에 해당되는 경우 상기 특정 프로그램 시작전압을 스텝 전압만큼 감소시키는 단계와,
    프로그램/소거 횟수가 상기 제1 재설정 기준값 보다 큰 제2 재설정 기준값에 해당 될 때까지 상기 감소된 프로그램 시작전압에 따른 프로그램/소거 동작을 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 메모리 장치의 동작 방법.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서, 상기 감소시키는 단계를 수행한 후 상기 제1 재설정 기준값 보다 큰 제2 재설정 기준값을 재설정 기준값으로 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 메모리 장치의 동작 방법.
  8. 오름차순으로 정렬된 복수의 재설정 기준값이 제공되는 단계와,
    프로그램/소거 동작의 반복중 프로그램/소거 동작 횟수가 특정 재설정 기준값에 도달할 때마다 프로그램 시작 전압을 스텝전압 단위로 감소시켜 프로그램/소거 동작을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 메모리 장치의 동작 방법.
  9. 삭제
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