KR20070111663A - 낸드 플래시 메모리 장치의 프로그램 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 낸드 플래시 메모리 장치의 프로그램 방법에 관한 것으로, (a) 메모리 셀에 제1 전압을 이용하여 프로그램을 수행하는 단계와, (b) 상기 메모리 셀에 대해 프로그램 검증을 수행하는 단계와, (c) 상기 메모리 셀이 페일(fail)된 경우 상기 제1 전압을 제2 전압만큼 증가시키는 단계와, (d) 상기 증가된 메모리 셀을 이용하여 상기 (a) 내지 (c) 단계를 반복적으로 수행하여 상기 메모리 셀이 패스(pass)될 때까지 실시하는 단계를 포함함으로써, 리드 마진을 확보하여 보존(retention) 특성을 보완하고, 수율(yield)을 향상시킬 수 있다.
낸드 플래시 메모리 장치, 프로그램 문턱 전압 마진, 리드 마진, 보존 특성

Description

낸드 플래시 메모리 장치의 프로그램 방법{A method for programming a NAND flash memory device}
도 1은 싱글 레벨 셀로서 저장 데이터에 대한 셀 문턱 전압(Vt)을 나타내는 도면이다.
도 2는 멀티 레벨 셀로서 저장 데이터에 대한 셀 문턱 전압(Vt)을 나타내는 도면이다.
도 3은 사이클링을 실시한 후 셀의 문턱 전압(Vt) 분포(distribution)를 퍼센트로 나타낸 그래프이다.
도 4는 사이클링을 실시한 후 셀의 문턱 전압(Vt) 분포(distribution)를 페이지 단위로 나타낸 도면이다.
도 5는 사이클링 후 프로그램 레벨별 데이터 보존을 나타낸 그래프이다.
도 6은 사이클링 후 프로그램 레벨별 데이터 보존을 페이지 단위로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예로서 낸드 플래시 메모리 장치의 프로그램 방법을 설명하기 위해 도시한 순서도이다.
도 8은 도 7에 도시한 프로그램 방법을 나타내기 위해 인가된 바이어스 신호 도이다.
도 9는 도 8의 신호도에 따라 프로그램된 셀의 리드 마진을 확보한 상태를 나타낸 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
P10 : 프로그램 P12 : 프로그램 검증
P14 : 제1 전압 증가
본 발명은 낸드 플래시 메모리 장치의 프로그램 방법에 관한 것으로, 특히, 리드 마진을 확보하여 보존(retention) 특성을 보완하고, 수율(yield)을 향상시키기 위한 낸드 플래시 메모리 장치의 프로그램 방법에 관한 것이다.
싱글 레벨 셀(Single-level-cell; SLC)은 하나의 메모리 셀에 1비트의 데이터를 저장하고자 하는 용도로 사용되는 플래시 메모리 셀이다. 반면에 멀티 레벨 셀(Multi-level-cell; MLC)은 집적도를 높이기 위해 하나의 메모리 셀에 2비트의 데이터를 저장하고자 하는 용도로 사용되는 플래시 메모리 셀이다.
도 1은 싱글 레벨 셀로서 저장 데이터에 대한 셀 문턱 전압(Vt)을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 싱글 레벨 셀에서는 1비트의 데이터는 메모리 셀에 프로그램된 2개의 서로 다른 문턱 전압(Vt)으로서 저장된다. 예컨대 메모리 셀에 프로그램된 문턱 전압(Vt)에 따라 메모리 셀에 저장된 데이터는 논리 "1"과 "0"이다. 메모리 셀에 저장된 데이터는 독출 동작시 셀 전류의 차이에 의해 구분된다.
도 2는 멀티 레벨 셀로서 저장 데이터에 대한 셀 문턱 전압(Vt)을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 멀티 레벨 셀에서는 2비트의 데이터는 메모리 셀에 프로그램된 4개의 서로 다른 문턱 전압(Vt)으로서 저장된다, 예컨대 메모리 셀에 프로그램된 문턱 전압(Vt)에 따라 메모리 셀에 저장된 데이터는 논리 "11", "10", "00" 및 "01"이다. 메모리 셀에 저장된 데이터는 독출 동작시 셀 전류의 차이에 의해 구분된다.
그런데 일반적인 멀티 레벨 셀 플래시 메모리 장치에서의 프로그램 방법은, 프로그램할 메모리 셀을 소거시킨 상태에서 워드 라인 전압을 조금씩 증가시켜 메모리 셀의 문턱 전압(Vt)을 조금씩 양의 방향으로 증가시킨 후 메모리 셀의 문턱 전압(Vt)이 목표 문턱 전압(Vt)에 도달하였는지 검증(Verify)하는 동작을 반복하면서 진행된다. 이때, 소거(erase) 동작 후 논리 "11" 상태에 있던 메모리 셀 데이터는 프로그램이 진행됨에 따라 논리 "10" 상태, 논리 "00" 상태, 논리 "01" 상태로 순차적으로 변화된다.
상기와 같이 프로그램 및 검증 동작을 반복하다 보면, 최초 프로그램시에는 문제가 발생하지 않으나 시간이 지날수록 메모리 셀의 문턱 전압(Vt)이 낮아지는 현상이 발생하고, 메모리 셀의 문턱 전압(Vt)이 리드(read) 선 이하로 낮아지게 되면 프로그램된 셀이 소거된 셀로 읽히게 되어 데이터 보존 측면에서 보존 페일(fail)을 유발한다. 사이클링(Cycling) 횟수가 증가할수록 메모리 셀의 문턱 전압(Vt)은 심하게 낮아지게 되고, 데이터 보존 특성 또한, 점점 나빠지게 된다. 이로 인하여 품질의 신뢰성이 저하되고, 초기 테스트시 수율을 감소시킨다.
도 3은 사이클링을 실시한 후 셀의 문턱 전압(Vt) 분포(distribution)를 퍼센트로 나타낸 그래프이고, 도 4는 사이클링을 실시한 후 셀의 문턱 전압(Vt) 분포(distribution)를 페이지(page) 단위로 나타낸 도면으로서, 사이클링 횟수가 증가할수록 프로그램 속도가 증가하고, 이로 인하여 문턱 전압(Vt)의 분포가 넓어짐을 나타내고 있다.
프로그램 속도 증가로 인한 문턱 전압(Vt) 분포가 넓어지는 현상을 프로그램 레벨별로 살펴보면, 실질적으로 가장 나쁠 것이라고 생각되었던 최상위 레벨의 셀(a)은 하위 레벨의 셀(b 및 c)보다 문턱 전압(Vt)의 분포가 샤프한(sharp) 경향을 보인다. 또한, 최상위 레벨의 셀(논리 "01")은 사이클링 횟수가 증가하여도 프로그램 문턱 전압(Vt) 마진(d)을 넘어가지 않는다. 따라서, 최상위 레벨의 셀(논리 "01")은 리드 전압까지 상당히 많은 프로그램 문턱 전압(Vt) 마진(d)을 가지고 있음을 알 수 있다. 프로그램 문턱 전압(Vt) 마진을 많이 가지는 것은 최상위 레벨의 셀(논리 "01")이 리드 전압을 넘어가면 과도 프로그램(over program)되어 프로그램이 읽히지 않기 때문에 이를 방지하기 위한 것이다.
도 5는 사이클링 후 프로그램 레벨별 데이터 보존을 나타낸 그래프이고, 도 6은 사이클링 후 프로그램 레벨별 데이터 보존을 페이지 단위로 나타낸 도면으로서, 데이터 보존 측면에서 본 것으로 최상위 레벨의 셀부터 프로그램 문턱 전압(Vt)이 낮아짐을 나타내고 있다.
데이터 보존 측면에서 보면, 최상위 레벨의 셀(e)이 하위 레벨의 셀(f 및 g)보다 가장 나쁨을 알 수 있고, 이로 인하여 최상위 레벨의 셀(논리 "01")에서 보존 페일(h)을 유발한다. 따라서, 사이클링 증가로 인해 기존의 리드 마진(read margin; i)으로는 보존 특성을 유지하기엔 상당한 어려움이 있다. 여기서, 리드 마진(i)은 문턱 전압(Vt)이 낮아져도 페일이 발생하지 않는 지점까지를 말한다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은 리드 마진을 확보하여 보존 특성을 보완하고, 수율을 향상시키기 위한 낸드 플래시 메모리 장치의 프로그램 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 낸드 플래시 메모리 장치의 프로그램 방법은, (a) 메모리 셀에 제1 전압을 이용하여 프로그램을 수행하는 단계와, (b) 상기 메모리 셀에 대해 프로그램 검증을 수행하는 단계와, (c) 상기 메모리 셀이 페일(fail)된 경우 상기 제1 전압을 제2 전압만큼 증가시키는 단계와, (d) 상기 증가된 메모리 셀을 이용하여 상기 (a) 내지 (c) 단계를 반복적으로 수행하여 상기 메모리 셀 이 패스(pass)될 때까지 실시하는 단계를 포함하는 낸드 플래시 메모리 장치의 프로그램 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 낸드 플래시 메모리 장치의 프로그램 방법은, 하나의 메모리 셀에 2비트 데이터를 저장하는 멀티 레벨 셀의 프로그램 방법에 있어서, 최상위 레벨 셀의 문턱 전압을 증가시켜 프로그램 및 검증 동작을 소정의 횟수 이상 반복 수행하여 리드 마진을 증가시키는 동시에 프로그램 문턱 전압 마진을 감소시키는 낸드 플래시 메모리 장치의 프로그램 방법을 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 7은 본 발명의 실시 예로서 낸드 플래시 메모리 장치의 프로그램 방법을 설명하기 위해 도시한 순서도이고, 도 8은 도 7에 도시한 프로그램 방법을 나타내기 위해 인가된 바이어스 신호도이고, 도 9는 도 8의 신호도에 따라 프로그램된 셀의 리드 마진을 확보한 상태를 나타낸 도면이다. 이하에서 실시되는 메모리 셀의 프로그램 동작은 블럭 단위로 실시된다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 프로그램할 메모리 셀을 소거시킨 상태에서(논리 "11")부터 메모리 셀의 상태가 논리 "01" 상태가 될 때까지 프로그램 동작과 검증 동작이 반복하여 수행된다. 이때, 하위 레벨 셀(논리 "10" 및 논리 "00")은 기존의 방법을 사용하고, 최상위 레벨 셀의 문턱 전압(Vt; PV3)은 기존보다 높여주어 하위 레벨 셀의 문턱 전압(Vt; PV1 및 PV2)보다 더욱 높아지게 최상위 레벨 셀(논리 "01")을 프로그램해 주면 최상위 레벨 셀(논리 "01")은 기존보다 높은 문턱 전압(Vt)으로 프로그램되고, 이로 인하여 리드 마진의 확보가 가능해 진다. 리드 마진을 확보하기 위해 최상위 레벨 셀(논리 "01")의 프로그램 동작에 대해 설명하면 다음과 같다.
해당 메모리 셀의 기판에 대략 16V의 전압을 인가하고, 컨트롤 게이트(미도시)에 대략 3.4V의 전압을 인가하여 프로그램을 수행한다(P10). 여기서, 상기 메모리 셀의 기판과 컨트롤 게이트에 인가되는 전압은 이에 한정되는 것이 아니며, 제품에 따라 적절히 설정할 수 있다.
그런 다음, 프로그램(P10)을 수행한 후 프로그램이 이루어진 메모리 셀에 대해 프로그램 검증을 수행한다(P12). 이때, 프로그램 검증(P12)은 기준 전압(대략, 3.4V)을 토대로 하여 실시한다. 만일, 프로그램 검증 단계(P12)에서 프로그램 단계(P10)를 통해 프로그램된 메모리 셀의 문턱 전압(Vt)이 기준 전압보다 낮은 경우 프로그램 페일로 간주하고, 그 이외에는 프로그램 패스(pass)로 간주하여 프로그램을 종료한다.
그런 다음, 프로그램 검증 단계(P12)에서 프로그램 페일 되는 경우, 메모리 셀의 기판에 인가되는 전압을 제1 전압만큼 증가시킨다(P14). 여기서, 메모리 셀의 기판에 인가되는 전압은 초기 전압으로 계속해서 유지되고, 제1 전압은 0.8V로 한다. 상기 제1 전압은 제품의 특성에 따라 그 크기가 적절히 설정될 수 있다. 증가된 상기 전압을 이용하여 목표 문턱 전압(Vt)에 도달할 때까지 메모리 셀에 대해 프로그램 단계(P10) 및 검증 단계(P12)를 반복하여 수행한다. 이때, 프로그램 동작시 메모리 셀의 기판에 인가되는 전압으로 최대 21V까지 인가한다.
상기와 같이, 최상위 레벨 셀(논리 "01")의 부족한 리드 마진(A)을 확보하기 위해 최상위 레벨 셀(논리 "01")의 문턱 전압(Vt)을 높여주는 데신, 프로그램된 셀로부터 리드 전압까지 2V 정도 존재하는 프로그램 문턱 전압(Vt) 마진(B)을 감소시킨다. 이때, 최상위 레벨 셀의 문턱 전압(Vt; PV3)을 0.7V 내지 1.0V로 높여주는 동안, 프로그램 문턱 전압(Vt) 마진(B)은 2V에서 최상위 레벨 셀의 문턱 전압(Vt; PV3)에 비례하여 1.9V 내지 1.6V로 감소시킨다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의한 효과는 다음과 같다.
첫째, 최상위 레벨의 리드 마진을 확보함으로써 보존 페일을 감소시켜 보존 특성을 보완할 수 있다.
둘째, 보존 특성을 보완함으로써 수율을 향상시킬 수 있다.

Claims (6)

  1. (a) 메모리 셀에 제1 전압을 이용하여 프로그램을 수행하는 단계;
    (b) 상기 메모리 셀에 대해 프로그램 검증을 수행하는 단계;
    (c) 상기 메모리 셀이 페일(fail)된 경우 상기 제1 전압을 제2 전압만큼 증가시키는 단계; 및
    (d) 상기 증가된 메모리 셀을 이용하여 상기 (a) 내지 (c) 단계를 반복적으로 수행하여 상기 메모리 셀이 패스(pass)될 때까지 실시하는 단계를 포함하는 낸드 플래시 메모리 장치의 프로그램 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 전압은 16V 내지 21V로 설정되는 낸드 플래시 메모리 장치의 프로그램 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 전압은 0.8V로 설정되는 낸드 플래시 메모리 장치의 프로그램 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 (d) 단계를 소정 횟수 이상 실시하여 부족한 리드 마 진을 0.7V 내지 1V로 증가시키는 동안 프로그램 문턱 전압 마진을 1.6V 내지 1.9V 로 감소시키는 낸드 플래시 메모리 장치의 프로그램 방법.
  5. 하나의 메모리 셀에 2비트 데이터를 저장하는 멀티 레벨 셀의 프로그램 방법에 있어서,
    최상위 레벨 셀의 문턱 전압을 증가시켜 프로그램 및 검증 동작을 소정의 횟수 이상 반복 수행하여 리드 마진을 증가시키는 동시에 프로그램 문턱 전압 마진을 감소시키는 낸드 플래시 메모리 장치의 프로그램 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 리드 마진은 0.7V 내지 1V이고, 상기 프로그램 문턱 전압 마진은 1.6V 내지 1.9V인 낸드 플래시 메모리 장치의 프로그램 방법.
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