KR20190102837A - 메모리 시스템 및 메모리 시스템의 동작방법 - Google Patents

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Abstract

메모리 시스템의 동작 방법은, 상기 메모리 시스템은 하나의 메모리 셀에 N비트 데이터를 저장할 수 있는 복수 레벨 셀 메모리 블록을 포함하고, 상기 복수 레벨 셀 메모리 블록이 액세스될 때마다 상기 액세스된 복수 레벨 셀 메모리 블록의 디스터브 정도를 판단하는 단계; 상기 판단 결과에 따라 상기 액세스된 복수 레벨 셀 메모리 블록 중 오픈 메모리 블록에 포함된 하나 또는 그 이상의 메모리 셀들을 M비트-M은 N보다 작은 정수- 그룹으로 지정하는 단계; 및 상기 M비트 그룹에 대하여는 M비트 셀 모드로 액세스하는 단계를 포함한다.

Description

메모리 시스템 및 메모리 시스템의 동작방법 {MEMORY SYSTEM AND OPERATION METHOD THEREOF}
본 발명은 메모리 시스템에 관한 것으로, 구체적으로 불휘발성 메모리 장치와 컨트롤러 및 그것의 동작방법에 관한 것이다.
최근 컴퓨터 환경에 대한 패러다임(paradigm)이 언제, 어디서나 컴퓨터 시스템을 사용할 수 있도록 하는 유비쿼터스 컴퓨팅(ubiquitous computing)으로 전환되고 있다. 이로 인해 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북 컴퓨터 등과 같은 휴대용 전자 장치의 사용이 급증하고 있다. 이와 같은 휴대용 전자 장치는 일반적으로 메모리 장치를 이용하는 메모리 시스템, 다시 말해 데이터 저장 장치를 사용한다. 데이터 저장 장치는 휴대용 전자 장치의 주 기억 장치 또는 보조 기억 장치로 사용된다.
메모리 장치를 이용한 데이터 저장 장치는 기계적인 구동부가 없어서 안정성 및 내구성이 뛰어나며, 또한 정보의 액세스 속도가 매우 빠르고 전력 소모가 적다는 장점이 있다. 이러한 장점을 갖는 메모리 시스템의 일 예로 데이터 저장 장치는, USB(Universal Serial Bus)메모리 장치, 다양한 인터페이스를 갖는 메모리 카드, 솔리드 스테이트 드라이브(SSD: Solid State Drive) 등을 포함한다.
본 발명은 이레이즈 셀 디스터브의 영향을 받지 않도록 이어 쓰기를 수행하는 동작 방법 및 그러한 메모리 시스템의 제공을 목적으로 한다.
메모리 시스템의 동작 방법은, 상기 메모리 시스템은 하나의 메모리 셀에 N비트 데이터를 저장할 수 있는 복수 레벨 셀(Plural level cell) 메모리 블록을 포함하고, 상기 복수 레벨 셀 메모리 블록이 액세스될 때마다 상기 액세스된 복수 레벨 셀 메모리 블록의 디스터브 정도를 판단하는 단계; 상기 판단 결과에 따라 상기 액세스된 복수 레벨 셀 메모리 블록 중 오픈 메모리 블록에 포함된 하나 또는 그 이상의 이레이즈 상태의 메모리 셀들을 M비트-M은 N보다 작은 정수- 그룹으로 지정하는 단계; 및 상기 M비트 그룹에 대하여는 M비트 셀 모드로 액세스하는 단계를 포함한다.
메모리 시스템은, 하나의 메모리 셀에 N비트 데이터를 저장할 수 있는 복수 레벨 셀(Plural level cell) 메모리 블록을 포함하는 메모리 장치; 및 상기 메모리 장치를 제어하는 컨트롤러를 포함하되, 상기 컨트롤러는 상기 복수 레벨 셀 메모리 블록이 액세스될 때마다 상기 액세스된 복수 레벨 셀 메모리 블록의 디스터브 정도를 판단하고, 상기 판단 결과에 따라 상기 액세스된 복수 레벨 셀 메모리 블록 중 오픈 메모리 블록에 포함된 하나 또는 그 이상의 이레이즈 상태의 메모리 셀들을 M비트-M은 N보다 작은 정수- 그룹으로 지정하여, 상기 M비트 그룹에 대하여는 M비트 셀 모드로 액세스한다.
이레이즈 셀 디스터브의 영향을 받지 않도록 이어 쓰기를 수행함으로써 메모리 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 메모리 시스템을 포함하는 데이터 처리 시스템의 일 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 메모리 시스템에서 메모리 장치의 일 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 메모리 장치에서 메모리 블록들의 메모리 셀 어레이 회로를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 1의 메모리 시스템에서 메모리 장치 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 예로서, 멀티 레벨 셀 메모리 장치의 프로그램 상태 및 소거 상태를 나타내는 문턱 전압 산포를 나타낸 그래프이다.
도 6은 예로서, 이레이즈 셀 디스터브가 발생한 경우 멀티 레벨 셀 메모리 장치의 문턱 전압 산포를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 시스템의 동작을 나타낸 흐름도이다.
도 8a는 MLC 메모리 장치에서 문턱 전압 분포에 따라 저장된 데이터 값의 일 예를 나타낸 그래프이다.
도 8b 및 도 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 MLC 메모리 장치의 문턱 전압 산포 그래프이다.
도 9a는 MLC 메모리 장치에서 문턱 전압 분포에 따라 저장된 데이터 값의 일 예를 나타낸 그래프이다.
도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 MLC 메모리 장치의 문턱 전압 산포 그래프이다.
도 10a는 TLC 메모리 장치에서 문턱 전압 분포에 따라 저장된 데이터 값의 일 예를 나타낸 그래프이다.
도 10b 및 10c는 본 발명의 일 실시예에 따른 TLC 메모리 장치의 문턱 전압 산포 그래프이다.
도 11 내지 도 19는 본 발명의 실시 예에 따른 메모리 시스템을 포함하는 데이터 처리 시스템의 다른 일 예들을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩뜨리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해서 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 메모리 시스템을 포함하는 데이터 처리 시스템의 일 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 데이터 처리 시스템(100)은, 호스트(Host)(102) 및 메모리 시스템(110)을 포함한다.
그리고, 호스트(102)는, 전자 장치, 예컨대 휴대폰, MP3 플레이어, 랩탑 컴퓨터 등과 같은 휴대용 전자 장치들, 또는 데스크탑 컴퓨터, 게임기, TV, 프로젝터 등과 같은 전자 장치들을 포함, 즉 유무선 전자 장치들을 포함한다.
또한, 호스트(102)는, 적어도 하나의 운영 시스템(OS: operating system)를 포함할 수 있다. 운영 시스템은 호스트(102)의 기능 및 동작을 전반적으로 관리 및 제어하고, 데이터 처리 시스템(100) 또는 메모리 시스템(110)을 사용하는 사용자와 호스트(102) 간에 상호 동작을 제공한다. 운영 시스템은 사용자의 사용 목적 및 용도에 상응한 기능 및 동작을 지원하며, 호스트(102)의 이동성(mobility)에 따라 일반 운영 시스템과 모바일 운용 시스템으로 구분할 수 있다. 또한, 운영 시스템에서의 일반 운영 시스템 시스템은, 사용자의 사용 환경에 따라 개인용 운영 시스템과 기업용 운영 시스템으로 구분할 수 있다. 예를 들면, 개인용 운영 시스템은, 일반 사용자를 위한 서비스 제공 기능을 지원하도록 특성화된 시스템으로, 윈도우(windows) 및 크롬(chrome) 등을 포함하고, 기업용 운영 시스템은, 고성능을 확보 및 지원하도록 특성화된 시스템으로, 윈도 서버(windows server), 리눅스(linux) 및 유닉스(unix)등을 포함할 수 있다. 아울러, 운영 시스템에서의 모바일 운영 시스템은, 사용자들에게 이동성 서비스 제공 기능 및 시스템의 절전 기능을 지원하도록 특성화된 시스템으로, 안드로이드(android), iOS, 윈도 모바일(windows mobile) 등을 포함할 수 있다. 이때, 호스트(102)는, 복수의 운영 시스템들을 포함할 수 있으며, 또한 사용자의 요청에 상응한 메모리 시스템(110)과의 동작 수행을 위해 운영 시스템을 실행한다. 여기서, 호스트(102)는, 사용자 요청에 해당하는 복수의 커맨드들을 메모리 시스템(110)으로 전송하며, 그에 따라 메모리 시스템(110)에서는 커맨드들에 해당하는 동작들, 즉 사용자 요청에 상응하는 동작들을 수행한다.
또한, 메모리 시스템(110)은, 호스트(102)의 요청에 응답하여 동작하며, 특히 호스트(102)에 의해서 액세스되는 데이터를 저장한다. 다시 말해, 메모리 시스템(110)은, 호스트(102)의 주 기억 장치 또는 보조 기억 장치로 사용될 수 있다. 여기서, 메모리 시스템(110)은 호스트(102)와 연결되는 호스트 인터페이스 프로토콜에 따라, 다양한 종류의 저장 장치들 중 어느 하나로 구현될 수 있다. 예를 들면, 메모리 시스템(110)은, 솔리드 스테이트 드라이브(SSD: Solid State Drive), MMC, eMMC(embedded MMC), RS-MMC(Reduced Size MMC), micro-MMC 형태의 멀티 미디어 카드(MMC: MultiMedia Card), SD, mini-SD, micro-SD 형태의 시큐어 디지털(SD: Secure Digital) 카드, USB(Universal Storage Bus)저장 장치, UFS(Universal Flash Storage) 장치, CF(Compact Flash) 카드, 스마트 미디어(Smart Media) 카드, 메모리 스틱(Memory Stick) 등과 같은 다양한 종류의 저장 장치들 중 어느 하나로 구현될 수 있다.
아울러, 메모리 시스템(110)을 구현하는 저장 장치들은, DRAM(Dynamic Random Access Memory), SRAM(Static RAM) 등과 같은 휘발성 메모리 장치와, ROM(Read Only Memory), MROM(Mask ROM), PROM(Programmable ROM), EPROM(Erasable ROM), EEPROM(Electrically Erasable ROM), FRAM(Ferromagnetic ROM), PRAM(Phase change RAM), MRAM(Magnetic RAM), RRAM(Resistive RAM), 플래시 메모리 등과 같은 비휘발성 메모리 장치로 구현될 수 있다.
메모리 시스템(110)은 메모리 장치(150), 및 컨트롤러(130)를 포함한다.
여기서, 컨트롤러(130) 및 메모리 장치(150)는 하나의 반도체 장치로 집적될 수 있다. 일 예로, 컨트롤러(130) 및 메모리 장치(150)는 하나의 반도체 장치로 집적되어 SSD를 구성할 수 있다. 아울러, 컨트롤러(130) 및 메모리 장치(150)는, 하나의 반도체 장치로 집적되어 메모리 카드를 구성할 수도 있으며, 일 예로 PC 카드(PCMCIA: Personal Computer Memory Card International Association), 컴팩트 플래시 카드(CF), 스마트 미디어 카드(SM, SMC), 메모리 스틱, 멀티미디어 카드(MMC, RS-MMC, MMCmicro), SD 카드(SD, miniSD, microSD, SDHC), 유니버설 플래시 기억 장치(UFS) 등과 같은 메모리 카드를 구성할 수 있다.
또한, 다른 일 예로, 메모리 시스템(110)은, 컴퓨터, UMPC(Ultra Mobile PC), 워크스테이션, 넷북(net-book), PDA(Personal Digital Assistants), 포터블(portable) 컴퓨터, 웹 타블렛(web tablet), 태블릿 컴퓨터(tablet computer),무선 전화기(wireless phone), 모바일 폰(mobile phone), 스마트폰(smart phone), e-북(e-book), PMP(portable multimediaplayer), 휴대용 게임기, 네비게이션(navigation) 장치, 블랙박스(black box), 디지털 카메라(digital camera), DMB(Digital MultimediaBroadcasting) 재생기, 3차원 텔레비전(3-dimensional television), 스마트 텔레비전(smart television), 디지털 음성 녹음기(digital audiorecorder), 디지털 음성 재생기(digital audioplayer), 디지털 영상 녹화기(digital picture recorder), 디지털 영상 재생기(digital picture player), 디지털 동영상 녹화기(digital video recorder), 디지털 동영상 재생기(digital video player), 데이터 센터를 구성하는 스토리지, 정보를 무선 환경에서 송수신할 수 있는 장치, 홈 네트워크를 구성하는 다양한 전자 장치들 중 하나, 컴퓨터 네트워크를 구성하는 다양한 전자 장치들 중 하나, 텔레매틱스 네트워크를 구성하는 다양한 전자 장치들 중 하나, RFID(radio frequency identification) 장치, 또는 컴퓨팅 시스템을 구성하는 다양한 구성 요소들 중 하나 등을 구성할 수 있다.
한편, 메모리 시스템(110)에서의 메모리 장치(150)는, 전원이 공급되지 않아도 저장된 데이터를 유지할 수 있으며, 특히 라이트(write) 동작을 통해 호스트(102)로부터 제공된 데이터를 저장하고, 리드(read) 동작을 통해 저장된 데이터를 호스트(102)로 제공한다. 여기서, 메모리 장치(150)는, 복수의 메모리 블록(memory block)들(152,154,156)을 포함하며, 각각의 메모리 블록들(152,154,156)은, 복수의 페이지들(pages)을 포함하며, 또한 각각의 페이지들은, 복수의 워드라인(WL: Word Line)들이 연결된 복수의 메모리 셀들을 포함한다. 또한, 메모리 장치(150)는, 복수의 메모리 블록들(152,154,156)이 각각 포함된 복수의 플래인들(plane)을 포함하며, 특히 복수의 플래인들이 각각 포함된 복수의 메모리 다이(memory die)들을 포함할 수 있다. 아울러, 메모리 장치(150)는, 비휘발성 메모리 장치, 일 예로 플래시 메모리가 될 수 있으며, 이때 플래시 메모리는 3차원(dimension) 입체 스택(stack) 구조가 될 수 있다.
여기서, 메모리 장치(150)의 구조 및 메모리 장치(150)의 3차원 입체 스택 구조에 대해서는, 이하 도 2 내지 도 4에서 보다 구체적으로 설명된다.
그리고, 메모리 시스템(110)에서의 컨트롤러(130)는, 호스트(102)로부터의 요청에 응답하여 메모리 장치(150)를 제어한다. 예컨대, 컨트롤러(130)는, 메모리 장치(150)로부터 리드된 데이터를 호스트(102)로 제공하고, 호스트(102)로부터 제공된 데이터를 메모리 장치(150)에 저장하며, 이를 위해 컨트롤러(130)는, 메모리 장치(150)의 리드, 라이트, 프로그램(program), 이레이즈(erase) 등의 동작을 제어한다.
보다 구체적으로 설명하면, 컨트롤러(130)는, 호스트 인터페이스(Host I/F) 유닛(132), 프로세서(Processor)(134), 에러 정정 코드(ECC: Error Correction Code) 유닛(138), 파워 관리 유닛(PMU: Power Management Unit)(140), 메모리 인터페이스(Memory I/F) 유닛(142), 및 메모리(Memory)(144)를 포함한다.
또한, 호스트 인터페이스 유닛(132)은, 호스트(102)의 커맨드(command) 및 데이터를 처리하며, USB(Universal Serial Bus),MMC(Multi-Media Card), PCI-E(Peripheral Component Interconnect-Express), SAS(Serial-attached SCSI), SATA(Serial Advanced Technology Attachment), PATA(Parallel Advanced Technology Attachment), SCSI(Small Computer System Interface), ESDI(Enhanced Small Disk Interface), IDE(Integrated Drive Electronics), MIPI(Mobile Industry Processor Interface) 등과 같은 다양한 인터페이스 프로토콜들 중 적어도 하나를 통해 호스트(102)와 통신하도록 구성될 수 있다. 여기서, 호스트 인터페이스 유닛(132)은, 호스트(102)와 데이터를 주고 받는 영역으로 호스트 인터페이스 계층(HIL: Host Interface Layer, 이하 'HIL'이라 칭하기로 함)이라 불리는 펌웨어(firmware)를 통해 구동될 수 있다.
아울러, ECC 유닛(138)은, 메모리 장치(150)에서 처리되는 데이터의 에러 비트를 정정하며, ECC 인코더와 ECC 디코더를 포함할 수 있다. 여기서, ECC 인코더(ECC encoder)는 메모리 장치(150)에 프로그램될 데이터를 에러 정정 인코딩(error correction encoding)하여, 패리티(parity) 비트가 부가된 데이터를 생성하며, 패리티 비트가 부가된 데이터는, 메모리 장치(150)에 저장될 수 있다. 그리고, ECC 디코더(ECC decoder)는, 메모리 장치(150)에 저장된 데이터를 리드할 경우, 메모리 장치(150)로부터 리드된 데이터에 포함되는 에러를 검출 및 정정한다. 다시 말해, ECC 유닛(138)은, 메모리 장치(150)로부터 리드한 데이터를 에러 정정 디코딩(error correction decoding)한 후, 에러 정정 디코딩의 성공 여부를 판단하고, 판단 결과에 따라 지시 신호, 예컨대 에러 정정 성공(success)/실패(fail) 신호를 출력하며, ECC 인코딩 과정에서 생성된 패리티(parity) 비트를 사용하여 리드된 데이터의 에러 비트를 정정할 수 있다. 이때, ECC 유닛(138)은, 에러 비트 개수가 정정 가능한 에러 비트 한계치 이상 발생하면, 에러 비트를 정정할 수 없으며, 에러 비트를 정정하지 못함에 상응하는 에러 정정 실패 신호를 출력할 수 있다.
여기서, ECC 유닛(138)은, LDPC(low density parity check) 코드(code), BCH(Bose, Chaudhri, Hocquenghem) 코드, 터보 코드(turbo code), 리드-솔로몬 코드(Reed-Solomon code), 컨벌루션 코드(convolution code), RSC(recursive systematic code), TCM(trellis-coded modulation), BCM(Block coded modulation) 등의 코디드 모듈레이션(coded modulation)을 사용하여 에러 정정을 수행할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, ECC 유닛(138)는 오류 정정을 위한 회로, 모듈, 시스템, 또는 장치를 모두 포함할 수 있다.
그리고, PMU(140)는, 컨트롤러(130)의 파워, 즉 컨트롤러(130)에 포함된 구성 요소들의 파워를 제공 및 관리한다.
또한, 메모리 인터페이스 유닛(142)은, 컨트롤러(130)가 호스트(102)로부터의 요청에 응답하여 메모리 장치(150)를 제어하기 위해, 컨트롤러(130)와 메모리 장치(150) 간의 인터페이싱을 수행하는 메모리/스토리지(storage) 인터페이스가 된다. 여기서, 메모리 인터페이스 유닛(142)은, 메모리 장치(150)가 플래시 메모리, 특히 일 예로 메모리 장치(150)가 NAND 플래시 메모리일 경우에 NAND 플래시 컨트롤러(NFC: NAND Flash Controller)로서, 프로세서(134)의 제어에 따라, 메모리 장치(150)의 제어 신호를 생성하고 데이터를 처리한다. 그리고, 메모리 인터페이스 유닛(142)은, 컨트롤러(130)와 메모리 장치(150) 간의 커맨드 및 데이터를 처리하는 인터페이스, 일 예로 NAND 플래시 인터페이스의 동작, 특히 컨트롤러(130)와 메모리 장치(150) 간 데이터 입출력을 지원하며, 메모리 장치(150)와 데이터를 주고 받는 영역으로 플래시 인터페이스 계층(FIL: Flash Interface Layer, 이하 'FIL'이라 칭하기로 함)이라 불리는 펌웨어(firmware)를 통해 구동될 수 있다.
아울러, 메모리(144)는, 메모리 시스템(110) 및 컨트롤러(130)의 동작 메모리로서, 메모리 시스템(110) 및 컨트롤러(130)의 구동을 위한 데이터를 저장한다. 보다 구체적으로 설명하면, 메모리(144)는, 컨트롤러(130)가 호스트(102)로부터의 요청에 응답하여 메모리 장치(150)를 제어, 예컨대 컨트롤러(130)가, 메모리 장치(150)로부터 리드된 데이터를 호스트(102)로 제공하고, 호스트(102)로부터 제공된 데이터를 메모리 장치(150)에 저장하며, 이를 위해 컨트롤러(130)가, 메모리 장치(150)의 리드, 라이트, 프로그램, 이레이즈(erase) 등의 동작을 제어할 경우, 이러한 동작을 메모리 시스템(110), 즉 컨트롤러(130)와 메모리 장치(150) 간이 수행하기 위해 필요한 데이터를 저장한다.
여기서, 메모리(144)는, 휘발성 메모리로 구현될 수 있으며, 예컨대 정적 랜덤 액세스 메모리(SRAM: Static Random Access Memory), 또는 동적 랜덤 액세스 메모리(DRAM: Dynamic Random Access Memory) 등으로 구현될 수 있다. 아울러, 메모리(144)는 컨트롤러(130)의 내부에 존재하거나, 또는 컨트롤러(130)의 외부에 존재할 수 있으며, 이때 메모리 인터페이스를 통해 컨트롤러(130)로부터 데이터가 입출력되는 외부 휘발성 메모리로 구현될 수도 있다.
또한, 메모리(144)는, 전술한 바와 같이, 호스트(102)와 메모리 장치(150) 간 데이터 라이트 및 리드 등의 동작을 수행하기 위해 필요한 데이터, 및 데이터 라이트 및 리드 등의 동작 수행 시의 데이터를 저장하며, 이러한 데이터 저장을 위해, 프로그램 메모리, 데이터 메모리, 라이트 버퍼(buffer)/캐시(cache), 리드 버퍼/캐시, 데이터 버퍼/캐시, 맵(map) 버퍼/캐시 등을 포함한다.
그리고, 프로세서(134)는, 메모리 시스템(110)의 전체적인 동작을 제어하며, 특히 호스트(102)로부터의 라이트 요청 또는 리드 요청에 응답하여, 메모리 장치(150)에 대한 프로그램 동작 또는 리드 동작을 제어한다. 여기서, 프로세서(134)는, 메모리 시스템(110)의 제반 동작을 제어하기 위해 플래시 변환 계층(FTL: Flash Translation Layer, 이하 'FTL'이라 칭하기로 함)이라 불리는 펌웨어(firmware)를 구동한다. 또한, 프로세서(134)는, 마이크로프로세서 또는 중앙 처리 장치(CPU) 등으로 구현될 수 있다.
일 예로, 컨트롤러(130)는, 마이크로프로세서 또는 중앙 처리 장치(CPU) 등으로 구현된 프로세서(134)를 통해, 호스트(102)로부터 요청된 동작을 메모리 장치(150)에서 수행, 다시 말해 호스트(102)로부터 수신된 커맨드에 해당하는 커맨드 동작을, 메모리 장치(150)와 수행한다. 여기서, 컨트롤러(130)는, 호스트(102)로부터 수신된 커맨드에 해당하는 커맨드 동작으로 포그라운드(foreground) 동작을 수행, 예컨대 라이트 커맨드에 해당하는 프로그램 동작, 리드 커맨드에 해당하는 리드 동작, 이레이즈 커맨드(erase command)에 해당하는 이레이즈 동작, 셋 커맨드(set command)로 셋 파라미터 커맨드(set parameter command) 또는 셋 픽쳐 커맨드(set feature command)에 해당하는 파라미터 셋 동작 등을 수행할 수 있다.
그리고, 컨트롤러(130)는, 마이크로프로세서 또는 중앙 처리 장치(CPU) 등으로 구현된 프로세서(134)를 통해, 메모리 장치(150)에 대한 백그라운드(background) 동작을 수행할 수도 있다. 여기서, 메모리 장치(150)에 대한 백그라운드 동작은, 메모리 장치(150)의 메모리 블록들(152,154,156)에서 임의의 메모리 블록에 저장된 데이터를 다른 임의의 메모리 블록으로 카피(copy)하여 처리하는 동작, 일 예로 가비지 컬렉션(GC: Garbage Collection) 동작, 메모리 장치(150)의 메모리 블록들(152,154,156) 간 또는 메모리 블록들(152,154,156)에 저장된 데이터 간을 스왑(swap)하여 처리하는 동작, 일 예로 웨어 레벨링(WL: Wear Leveling) 동작, 컨트롤러(130)에 저장된 맵 데이터를 메모리 장치(150)의 메모리 블록들(152,154,156)로 저장하는 동작, 일 예로 맵 플러시(map flush) 동작, 또는 메모리 장치(150)에 대한 배드 관리(bad management)하는 동작, 일 예로 메모리 장치(150)에 포함된 복수의 메모리 블록들(152,154,156)에서 배드 블록을 확인하여 처리하는 배드 블록 관리(bad block management) 동작 등을 포함한다.
아울러, 컨트롤러(130)의 프로세서(134)에는, 메모리 장치(150)의 배드 관리를 수행하기 위한 관리 유닛(도시하지 않음)이 포함될 수 있으며, 관리 유닛은, 메모리 장치(150)에 포함된 복수의 메모리 블록들(152,154,156)에서 배드 블록을 확인한 후, 확인된 배드 블록을 배드 처리하는 배드 블록 관리를 수행한다. 여기서, 배드 관리는, 메모리 장치(150)가 플래시 메모리, 예컨대 낸드 플래시 메모리일 경우, 낸드의 특성으로 인해 데이터 라이트, 예컨대 데이터 프로그램(program) 시에 프로그램 실패(program fail)가 발생할 수 있으며, 프로그램 실패가 발생한 메모리 블록을 배드(bad) 처리한 후, 프로그램 실패된 데이터를 새로운 메모리 블록에 라이트, 즉 프로그램하는 것을 의미한다. 또한, 메모리 장치(150)가, 전술한 바와 같이, 3차원 입체 스택 구조를 가질 경우에는, 프로그램 실패에 따라 해당 블록을 배드 블록으로 처리하면, 메모리 장치(150)의 사용 효율 및 메모리 시스템(100)의 신뢰성이 급격하게 저하되므로, 보다 신뢰성 있는 배드 블록 관리 수행이 필요하다.
이하에서는, 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 메모리 시스템에서의 메모리 장치에 대해서 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2는 도 1의 메모리 시스템에서 메모리 장치의 일 예를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 도 2의 메모리 장치에서 메모리 블록들의 메모리 셀 어레이 회로를 개략적으로 도시한 도면이며, 도 4는 도 1의 메모리 시스템에서 메모리 장치 구조를 개략적으로 도시한 도면으로, 메모리 장치가 3차원 비휘발성 메모리 장치로 구현될 경우의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
우선, 도 2를 참조하면, 메모리 장치(150)는, 복수의 메모리 블록들, 예컨대 블록0(BLK(Block)0)(210), 블록1(BLK1)(220), 블록2(BLK2)(230), 및 블록N-1(BLKN-1)(240)을 포함하며, 각각의 블록들(210,220,230,240)은, 복수의 페이지들(Pages), 예컨대 2M개의 페이지들(2MPages)을 포함한다. 여기서, 설명의 편의를 위해, 복수의 메모리 블록들이 각각 2M개의 페이지들을 포함하는 것을 일 예로 하여 설명하지만, 복수의 메모리들은, 각각 M개의 페이지들을 포함할 수도 있다. 그리고, 각각의 페이지들은, 복수의 워드라인(WL: Word Line)들이 연결된 복수의 메모리 셀들을 포함한다.
또한, 메모리 장치(150)는, 복수의 메모리 블록들을, 하나의 메모리 셀에 저장 또는 표현할 수 있는 비트의 수에 따라, 단일 레벨 셀(SLC: Single Level Cell) 메모리 블록 및 멀티 레벨 셀(MLC: MultiLevel Cell) 메모리 블록 등으로 포함할 수 있다. 여기서, SLC 메모리 블록은, 하나의 메모리 셀에 1 비트 데이터를 저장하는 메모리 셀들에 의해 구현된 복수의 페이지들을 포함하며, 데이터 연산 성능이 빠르며 내구성이 높다. 그리고, MLC 메모리 블록은, 하나의 메모리 셀에 멀티 비트 데이터(예를 들면, 2 비트 또는 그 이상의 비트)를 저장하는 메모리 셀들에 의해 구현된 복수의 페이지들을 포함하며, SLC 메모리 블록보다 큰 데이터 저장 공간을 가짐, 다시 말해 고집적화할 수 있다. 특히, 메모리 장치(150)는, MLC 메모리 블록으로, 하나의 메모리 셀에 2 비트 데이터를 저장할 수 있는 메모리 셀들에 의해 구현된 복수의 페이지들을 포함하는 MLC 메모리 블록뿐만 아니라, 하나의 메모리 셀에 3 비트 데이터를 저장할 수 있는 메모리 셀들에 의해 구현된 복수의 페이지들을 포함하는 트리플 레벨 셀(TLC: Triple Level Cell) 메모리 블록, 하나의 메모리 셀에 4 비트 데이터를 저장할 수 있는 메모리 셀들에 의해 구현된 복수의 페이지들을 포함하는 쿼드러플 레벨 셀(QLC: QuadrupleLevel Cell) 메모리 블록, 또는 하나의 메모리 셀에 5 비트 또는 그 이상의 비트 데이터를 저장할 수 있는 메모리 셀들에 의해 구현된 복수의 페이지들을 포함하는 다중 레벨 셀(multiple level cell) 메모리 블록 등을 포함할 수 있다.
이하에서는, 설명의 편의를 위해, 메모리 장치(150)가, 플래시 메모리, 예컨대 NAND 플래시 메모리 등과 같은 비휘발성 메모리 등으로 구현되는 것을 일 예로 설명하지만, 상변환 메모리(PCRAM: Phase Change Random Access Memory), 저항 메모리(RRAM(ReRAM): Resistive Random Access Memory), 강유전체 메모리(FRAM: Ferroelectrics Random Access Memory), 및 스핀 주입 자기 메모리(STT-RAM(STT-MRAM): Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory) 등과 같은 메모리들 중 어느 하나의 메모리로 구현될 수도 있다.
그리고, 각각의 블록들(210,220,230,240)은, 프로그램 동작을 통해 호스트(102)로부터 제공된 데이터를 저장하고, 리드 동작을 통해 저장된 데이터를 호스트(102)에게 제공한다.
다음으로, 도 3을 참조하면, 메모리 시스템(110)의 메모리 장치(150)에 포함된 복수의 메모리 블록들(152,154,156)에서 각 메모리 블록(330), 메모리 셀 어레이로 구현되어 비트라인들(BL0 to BLm-1)에 각각 연결된 복수의 셀 스트링들(340)을 포함할 수 있다. 각 열(column)의 셀 스트링(340)은, 적어도 하나의 드레인 선택 트랜지스터(DST)와, 적어도 하나의 소스 선택 트랜지스터(SST)를 포함할 수 있다. 선택 트랜지스터들(DST, SST) 사이에는, 복수 개의 메모리 셀들, 또는 메모리 셀 트랜지스터들(MC0 to MCn-1)이 직렬로 연결될 수 있다. 각각의 메모리 셀(MC0 to MCn-1)은, 셀 당 복수의 비트들의 데이터 정보를 저장하는 MLC로 구성될 수 있다. 셀 스트링들(340)은 대응하는 비트라인들(BL0 to BLm-1)에 각각 전기적으로 연결될 수 있다.
여기서, 도 3은, 낸드 플래시 메모리 셀로 구성된 각 메모리 블록(330)을 일 예로 도시하고 있으나, 본 발명의 실시예에 따른 메모리 장치(150)에 포함된 복수의 메모리 블록(152,154,156)은, 낸드 플래시 메모리에만 국한되는 것은 아니라 노어 플래시 메모리(NOR-type Flash memory), 적어도 두 종류 이상의 메모리 셀들이 혼합된 하이브리드 플래시 메모리, 메모리 칩 내에 컨트롤러가 내장된 One-NAND 플래시 메모리 등으로도 구현될 수 있다. 아울러, 본 발명의 실시예에 따른 메모리 장치(150)는, 전하 저장층이 전도성 부유 게이트로 구성된 플래시 메모리 장치는 물론, 전하 저장층이 절연막으로 구성된 차지 트랩형 플래시(Charge Trap Flash; CTF) 메모리 장치 등으로도 구현될 수 있다.
그리고, 메모리 장치(150)의 전압 공급부(310)는, 동작 모드에 따라서 각각의 워드라인들로 공급될 워드라인 전압들(예를 들면, 프로그램 전압, 리드 전압, 패스 전압 등)과, 메모리 셀들이 형성된 벌크(예를 들면, 웰 영역)로 공급될 전압을 제공할 수 있으며, 이때 전압 공급 회로(310)의 전압 발생 동작은 제어 회로(도시하지 않음)의 제어에 의해 수행될 수 있다. 또한, 전압 공급부(310)는, 다수의 리드 데이터를 생성하기 위해 복수의 가변 리드 전압들을 생성할 수 있으며, 제어 회로의 제어에 응답하여 메모리 셀 어레이의 메모리 블록들(또는 섹터들) 중 하나를 선택하고, 선택된 메모리 블록의 워드라인들 중 하나를 선택할 수 있으며, 워드라인 전압을 선택된 워드라인 및 비선택된 워드라인들로 각각 제공할 수 있다.
아울러, 메모리 장치(150)의 리드/라이트(read/write) 회로(320)는, 제어 회로에 의해서 제어되며, 동작 모드에 따라 감지 증폭기(sense amplifier)로서 또는 라이트 드라이버(write driver)로서 동작할 수 있다. 예를 들면, 검증/정상 리드 동작의 경우 리드/라이트 회로(320)는, 메모리 셀 어레이로부터 데이터를 리드하기 위한 감지 증폭기로서 동작할 수 있다. 또한, 프로그램 동작의 경우 리드/라이트 회로(320)는, 메모리 셀 어레이에 저장될 데이터에 따라 비트라인들을 구동하는 라이트 드라이버로서 동작할 수 있다. 리드/라이트 회로(320)는, 프로그램 동작 시 셀 어레이에 라이트될 데이터를 버퍼(미도시)로부터 수신하고, 입력된 데이터에 따라 비트라인들을 구동할 수 있다. 이를 위해, 리드/라이트 회로(320)는, 열(column)들(또는 비트라인들) 또는 열쌍(column pair)(또는 비트라인 쌍들)에 각각 대응되는 복수 개의 페이지 버퍼들(PB)(322,324,326)을 포함할 수 있으며, 각각의 페이지 버퍼(page buffer)(322,324,326)에는 복수의 래치들(도시하지 않음)이 포함될 수 있다.
또한, 메모리 장치(150)는, 2차원 또는 3차원의 메모리 장치로 구현될 수 있으며, 특히 도 4에 도시한 바와 같이, 3차원 입체 스택 구조의 비휘발성 메모리 장치로 구현될 수 있으며, 3차원 구조로 구현될 경우, 복수의 메모리 블록들(BLK0 to BLKN-1)을 포함할 수 있다. 여기서, 도 4는, 도 1에 도시한 메모리 장치(150)의 메모리 블록들(152,154,156)을 보여주는 블록도로서, 각각의 메모리 블록들(152,154,156)은, 3차원 구조(또는 수직 구조)로 구현될 수 있다. 예를 들면, 각각의 메모리 블록들(152,154,156)은 제1방향 내지 제3방향들, 예컨대 x-축 방향, y-축 방향, 및 z-축 방향을 따라 신장된 구조물들을 포함하여, 3차원 구조로 구현될 수 있다.
그리고, 메모리 장치(150)에 포함된 각 메모리 블록(330)은, 제2방향을 따라 신장된 복수의 낸드 스트링들(NS)을 포함할 수 있으며, 제1방향 및 제3방향들을 따라 복수의 낸드 스트링들(NS)이 제공될 수 있다. 여기서, 각 낸드 스트링(NS)은, 비트라인(BL), 적어도 하나의 스트링 선택라인(SSL), 적어도 하나의 접지 선택라인(GSL), 복수의 워드라인들(WL), 적어도 하나의 더미 워드라인(DWL), 그리고 공통 소스라인(CSL)에 연결될 수 있으며, 복수의 트랜지스터 구조들(TS)을 포함할 수 있다.
즉, 메모리 장치(150)의 복수의 메모리 블록들(152,154,156)에서 각 메모리 블록(330)은, 복수의 비트라인들(BL), 복수의 스트링 선택라인들(SSL), 복수의 접지 선택라인들(GSL), 복수의 워드라인들(WL), 복수의 더미 워드라인들(DWL), 그리고 복수의 공통 소스라인(CSL)에 연결될 수 있으며, 그에 따라 복수의 낸드 스트링들(NS)을 포함할 수 있다. 또한, 각 메모리 블록(330)에서, 하나의 비트라인(BL)에 복수의 낸드 스트링들(NS)이 연결되어, 하나의 낸드 스트링(NS)에 복수의 트랜지스터들이 구현될 수 있다. 아울러, 각 낸드 스트링(NS)의 스트링 선택 트랜지스터(SST)는, 대응하는 비트라인(BL)과 연결될 수 있으며, 각 낸드 스트링(NS)의 접지 선택 트랜지스터(GST)는, 공통 소스라인(CSL)과 연결될 수 있다. 여기서, 각 낸드 스트링(NS)의 스트링 선택 트랜지스터(SST) 및 접지 선택 트랜지스터(GST) 사이에 메모리 셀들(MC)이 제공, 즉 메모리 장치(150)의 복수의 메모리 블록들(152,154,156)에서 각 메모리 블록(330)에는 복수의 메모리 셀들이 구현될 수 있다.
도 5는 복수 레벨 셀(Plural level cell) 메모리 장치의 문턱 전압 산포의 예로서, MLC 메모리 장치의 프로그램 상태 및 이레이즈 상태를 나타내는 문턱 전압 산포를 나타낸 그래프이다.
복수 레벨 셀 메모리 장치는 하나의 메모리 셀에 복수 비트의 데이터를 저장할 수 있는 메모리 장치를 의미하며, 도 2를 참조하여 설명한 MLC 메모리 장치, TLC 메모리 장치, QLC 메모리 장치, 다중 레벨 셀 메모리 장치 등을 포함한다.
다수의 메모리 셀들 간의 미세한 전기적 특성의 차이로 인해 동일한 데이터가 프로그램된 메모리 셀들 각각의 문턱 전압은 일정한 범위의 문턱 전압 산포를 형성한다. 예컨대 MLC를 프로그램하면, 3개의 프로그램 상태(P1 to P3)와 하나의 이레이즈 상태(E) 중 어느 하나의 상태를 갖는다. 도 5는 MLC가 가질 수 있는 상태의 이상적인 산포도로, 문턱 전압 산포들은 서로 하나도 겹치지 않고 각각 일정 범위의 리드 전압 마진을 가지게 된다.
도 6은 예로서, 이레이즈 셀 디스터브가 발생한 경우 MLC 메모리 장치의 문턱 전압 산포를 나타낸 그래프이다.
오픈 메모리 블록은, 메모리 블록에 포함된 메모리 셀들 중 일부는 프로그램 완료된 상태이며 나머지는 이레이즈 상태로서 아직 모든 메모리 셀에 대한 프로그램이 완료되지 않은 메모리 블록이다.
리드 동작을 수행하는 경우 비선택 워드라인에도 패스 전압을 인가하기 때문에, 인접한 메모리 셀의 문턱 전압이 상승하는 디스터브(disturb)현상이 발생한다. 상기 디스터브(disturb) 현상이 심화되어 메모리 셀의 문턱 전압이 크게 변하면 메모리 셀에 저장된 값이 왜곡될 수 있다.
본 명세서에서는 오픈 메모리 블록에서 프로그램된 메모리 셀에 접속된 워드라인에 리드 전압이 인가되면서 이레이즈 상태의 메모리 셀의 문턱 전압이 상승하는 현상을 이레이즈 셀 디스터브로 정의한다. 상기 이레이즈 셀 디스터브 현상이 심화되면 이레이즈 상태의 메모리 셀이 프로그램 상태로 왜곡되어 인식될 수 있다. 이레이즈 셀 디스터브로 인해 왜곡된 상태의 메모리 셀에 대하여 프로그램 동작을 수행하면 에러 정정 디코딩으로도 정정할 수 없는 오류가 발생할 수 있다.
이러한 오류를 방지하기 위한 방법으로서, 오픈 메모리 블록의 이레이즈 셀 디스터브가 기준치 이상 발생하면 해당 메모리 블록을 클로즈(close)할 수 있다. 예컨대, 오픈 메모리 블록의 리드 횟수가 소정의 임계치를 넘으면 해당 메모리 블록에 이레이즈 셀 디스터브로 인한 오류가 발생할 수 있는 것으로 판단할 수 있다. 이때 이레이즈 상태의 모든 메모리 셀에 더미 데이터를 프로그램하고 해당 메모리 블록을 클로즈함으로써 해당 메모리 블록을 사용하지 않을 수 있다.
이러한 방법은 데이터의 신뢰도를 높일 수 있으나, 오픈 메모리 블록이 클로즈됨으로써 이레이즈 상태의 워드라인을 활용하지 못하여 성능이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 방지하기 위하여, 하나의 메모리 셀에 N비트 데이터를 저장할 수 있는 복수 레벨 셀 오픈 메모리 블록에서 리드 디스터브가 기준치 이상 발생하면 해당 메모리 블록을 클로즈하는 대신, 이레이즈 상태의 메모리 셀에 대해서 M비트(M은 N보다 작은 정수) 셀 모드로 프로그램 동작을 수행하는 방법을 제안한다.
N비트 복수 레벨 셀을 포함하는 메모리 블록에 대하여 M비트 모드로 프로그램하면 메모리 셀의 리드 전압 마진이 커질 수 있다. 이때, 예컨대 도 6의 Vread1과 같은, 이레이즈 상태와 프로그램 상태를 구분하는 리드 전압을 다소 높게 설정하면 이레이즈 셀 디스터브로 인해 이레이즈 상태의 메모리 셀의 문턱 전압이 상승된 상태라 하여도 여전히 이레이즈 상태인 것으로 리드될 수 있다. 따라서 이레이즈 셀 디스터브로 인하여 정정 불가능한 오류가 발생하는 것을 막을 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 시스템(100)의 동작을 나타낸 흐름도이다.
단계 S702에서 컨트롤러(130)는 호스트(102)로부터의 리드 커맨드에 응하여 N비트 복수 레벨 셀 메모리 장치(150)의 리드 동작을 제어한다.
단계 S704에서, 컨트롤러(130)는 상기 리드 동작이 수행된 메모리 블록에 대한 리드 카운트를 증가시킬 수 있다. 상기 메모리 블록은 슈퍼블록일 수도 있다.
단계 S706에서, 컨트롤러(130)는 상기 리드 동작이 수행된 메모리 블록이 오픈 메모리 블록인지 확인한다.
만약 상기 메모리 블록이 오픈 메모리 블록이 아니라면(단계 S706에서, "N"), 상기 메모리 블록은 이레이즈 셀 디스터브를 받을 우려가 없으므로 동작을 종료한다.
상기 메모리 블록이 오픈 메모리 블록이라면(단계 S706에서, "Y"), 컨트롤러(130)는 단계 S708에서 상기 리드 카운트가 소정의 임계치를 넘었는지 확인한다.
상기 리드 카운트가 소정의 임계치를 넘지 않았다면(단계 S708에서, "N"), 동작을 종료한다.
상기 리드 카운트가 소정의 임계치를 넘었다면(단계 S708에서, "Y"), 컨트롤러(130)는 단계 S710에서 상기 메모리 블록, 즉 오픈 메모리 블록에 포함된 이레이즈 상태의 메모리 셀들이 M비트 그룹으로 지정되어 있는지 확인한다.
상기 이레이즈 상태의 메모리 셀들이 M비트 그룹으로 지정되어 있지 않다면(단계 S710에서, "N"), 컨트롤러(130)는 단계 S712에서 상기 이레이즈 상태의 메모리 셀들을 M비트 그룹으로 지정한다. 따라서, 상기 M비트 그룹은 상기 오픈 메모리 블록의 리드 카운트가 임계치를 넘었을 때 이레이즈 상태에 있던 메모리 셀들을 의미한다.
상기 이레이즈 상태의 메모리 셀들이 이미 상기 M비트 그룹으로 지정되어 있다면(단계 S710에서, "Y"), 동작을 종료한다.
컨트롤러(130)는 상기 지정된 M비트 그룹에 대하여는 M비트 모드로 프로그램을 수행하고, 해당 프로그램한 부분에 대하여는 M비트 모드로 리드를 수행하도록 메모리 장치(150)를 제어할 수 있다. 이때, 컨트롤러(130)는 리드 전압을 조정할 수 있다. 특히, 컨트롤러(130)는 이레이즈 상태와 프로그램 상태를 구분하는 리드 전압을 다소 높게 설정할 수 있다.
도 8a 내지 도 9b를 통해 예컨대 MLC 메모리 장치에서 리드 전압 마진을 크게 하기 위해 SLC로 프로그램하는 구체적인 예를 설명한다.
도 8a는 MLC 메모리 장치에서 문턱 전압 분포에 따라 저장된 데이터 값의 일 예를 나타낸 그래프이다.
도 8a를 참조하면, 문턱 전압 분포 E내지 P3은 각각 그레이 코드에 매핑될 수 있다. 이레이즈 상태(E), 제1 프로그램 상태(P1), 제2 프로그램 상태(P2), 제3 프로그램 상태(P3)는 각각 논리 값 '11', '01', '00', '10'을 가질 수 있다. 예컨대 메모리 장치(150)가 2D 낸드 플래시 메모리인 경우 도 8a와 같은 데이터 값을 가질 수 있다.
한편, 도 8a의 점선 부분은 이레이즈 셀 디스터브로 인해 이레이즈 상태의 메모리 셀의 문턱 전압이 상승하여 문턱 전압 분포가 변하였음을 도시한 것이다. 상기 메모리 셀에 리드 전압 Vread1을 인가하여 리드하면 이레이즈 상태의 메모리 셀임에도 불구하고 프로그램 상태인 P1 상태로 왜곡되어 인식될 수 있다.
도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 MLC 메모리 장치의 문턱 전압 산포 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따라 SLC로 프로그램하는 경우, 메모리 장치(150)는 LSB에 유저 데이터를 프로그램하고 MSB에 더미 데이터를 프로그램할 수 있다.
예컨대 상기 더미 데이터는 논리 값 '1'일 수 있다. 이 경우 SLC 그룹에 포함되는 메모리 셀은 논리 값 '11'및 '10'중 어느 하나를 갖게 되고, 도 8b에서와 같이 E 및 P3 중 어느 하나의 상태만을 가질 것이므로 MLC로 프로그램하는 것에 비해 문턱 전압 마진을 크게 할 수 있다.
이때, 컨트롤러(130)가 이레이즈 상태와 프로그램 상태를 구분하는 리드 전압을 Vread1보다 높은 Vread1'로 설정하면 리드 동작 수행 시 이레이즈 셀 디스터브가 발생한 메모리 셀은 여전히 이레이즈 상태로 리드될 것이다. 반면에, 논리 값 '10'으로 프로그램된 메모리 셀은 P3의 상태를 갖기 때문에 프로그램 상태로 리드될 것이다. 따라서 이레이즈 셀 디스터브로 인한 정정 불가능한 에러를 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 메모리 장치(150)는 LSB에 유저 데이터를 프로그램하고, MSB에 LSB와 동일한 데이터를 프로그램할 수 있다. 이 경우 SLC 그룹에 포함되는 메모리 셀은 논리 값 '11' 및 '00'중 어느 하나를 갖게 되고, 도 8a의 E 및 P2 중 어느 하나의 상태만을 가질 것이므로 MLC로 프로그램하는 것에 비해 문턱 전압 마진이 커진다.
도 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 MLC 메모리 장치의 문턱 전압 산포 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 메모리 장치(150)는 LSB에 유저 데이터를 프로그램하고, MSB에는 프로그램을 수행하지 않을 수 있다. 도 8c의 위의 그래프는 LSB에 프로그램한 후의 그래프이고, 아래의 그래프는 LSB에 프로그램한 후 MSB에 프로그램하여 MLC 프로그램을 마친 후의 그래프이다.
도 8c를 참조하면, LSB에만 프로그램하는 경우 MLC로 프로그램하는 것에 비해 문턱 전압 마진이 커짐을 알 수 있다. 도 8b에서 설명된 것과 마찬가지로 컨트롤러(130)가 이레이즈 상태와 프로그램 상태를 구분하는 리드 전압을 높게 설정하면 이레이즈 셀 디스터브로 인한 정정 불가능한 에러를 방지할 수 있다.
도 9a는 MLC 메모리 장치에서 문턱 전압 분포에 따라 저장된 데이터 값의 일 예를 나타낸 그래프이다.
도 9a를 참조하면, 문턱 전압 분포 E내지 P3은 각각 그레이 코드에 매핑될 수 있다. 이레이즈 상태(E), 제1 프로그램 상태(P1), 제2 프로그램 상태(P2), 제3 프로그램 상태(P3)는 각각 논리 값 '11', '10', '00', '01'을 가질 수 있다. 예컨대 메모리 장치(150)가 3D 낸드 플래시 메모리인 경우 도 9a와 같은 데이터 값을 가질 수 있다.
도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 MLC 메모리 장치의 문턱 전압 산포 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따라 SLC로 프로그램하는 경우, 메모리 장치(150)는 LSB에 더미 데이터를 프로그램하고 MSB에 유저 데이터를 프로그램할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 더미 데이터는 논리 값 '0' 또는 '1' 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 더미 데이터는 논리 값 '1'일 수 있다. 이 경우 SLC 그룹에 포함되는 메모리 셀은 논리 값 '11' 및 '01'중 어느 하나를 갖게 되고, 도 9b에서와 같이 E 및 P3 중 어느 하나의 상태만을 가질 것이므로 MLC로 프로그램하는 것에 비해 문턱 전압 마진을 크게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 메모리 장치(150)는 MSB에 유저 데이터를 프로그램하고 LSB에 MSB와 동일한 데이터를 프로그램할 수 있다. 이 경우 SLC 그룹에 포함되는 메모리 셀은 논리 값 '11' 및 '00'중 어느 하나를 갖게 되고, 도 9a에서 E 및 P2중 어느 하나의 상태만을 갖게 되어 MLC로 프로그램하는 것에 비해 문턱 전압 마진이 커진다.
도 8b에서 설명된 것과 마찬가지로 컨트롤러(130)가 이레이즈 상태와 프로그램 상태를 구분하는 리드 전압을 높게 설정하면 이레이즈 셀 디스터브로 인한 정정 불가능한 에러를 방지할 수 있다.
도 10a는 TLC 메모리 장치에서 문턱 전압 분포에 따라 저장된 데이터 값의 일 예를 나타낸 그래프이다.
도 10a를 참조하면, 문턱 전압 분포 E내지 P7은 각각 그레이 코드에 매핑될 수 있다. 예컨대, 상기 문턱 전압 분포 E내지 P7은 각각 순서대로 논리 값 '111', '110', '010', '011', '001', '000', '100', '101'을 가질 수 있다.
한편, 도 10a의 점선 부분은 이레이즈 셀 디스터브로 인해 이레이즈 상태의 메모리 셀의 문턱 전압이 상승하여 문턱 전압 분포가 변하였음을 도시한 것이다. 상기 메모리 셀에 리드 전압 Vread1을 인가하면 이레이즈 상태의 메모리 셀임에도 불구하고 프로그램 상태인 P1상태로 왜곡되어 인식될 수 있다.
도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따라 SLC로 프로그램하는 경우의 TLC 메모리 장치의 문턱 전압 산포 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따라 TLC 메모리 장치에서 SLC로 프로그램하는 경우, 메모리 장치(150)는 CSB에 유저 데이터를 프로그램하고, MSB 및 LSB에 더미 데이터를 프로그램할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 더미 데이터는 논리 값 '1'일 수 있다. 이때, 도 10을 참조하면 메모리 셀은 E 및 P7 중 어느 하나의 문턱 전압 상태를 가질 것이다. 따라서 TLC로 프로그램하는 것에 비해 문턱 전압 마진을 크게 할 수 있다.
이때, 리드 전압을 Vread1보다 높은 Vread1'로 설정하여 리드하면 이레이즈 셀 디스터브가 발생한 메모리 셀은 여전히 이레이즈 상태로 리드될 것이다. 프로그램된 메모리 셀은 P7의 상태를 갖기 때문에 프로그램 상태로 리드될 것이다. 따라서 이레이즈 셀 디스터브로 인한 정정 불가능한 에러를 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 문턱 전압 분포들은 다른 그레이 코드에 매핑될 수 있다. TLC 메모리 장치에서 LSB, CSB 및 MSB 중 어느 하나의 비트에 유저 데이터를 프로그램하고 나머지 두 비트에 더미 데이터를 프로그램함으로써 문턱 전압 마진을 크게 할 수 있다.
도 10c는 본 발명의 일 실시예에 따라 MLC로 프로그램하는 경우의 TLC 메모리 장치의 문턱 전압 산포 그래프이다.
메모리 장치(150)는 MSB 및 CSB에 유저 데이터를 프로그램하고, LSB에 더미 데이터를 프로그램할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 더미 데이터는 논리 값 '1'일 수 있다. 이때, 도 10을 참조하면, 메모리 셀은 E, P3, P4 및 P7 중 어느 하나의 문턱 전압 상태를 가질 것이다.
이때, 리드 전압을 Vread1보다 높은 Vread1'로 설정하여 리드하면, 이레이즈 셀 디스터브가 발생한 메모리 셀은 여전히 이레이즈 상태로 리드될 것이다. 프로그램된 메모리 셀은 P3, P4 및 P7 중 어느 하나의 상태를 갖기 때문에 프로그램 상태로 리드될 것이다. 따라서 이레이즈 셀 디스터브로 인한 정정 불가능한 에러를 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 문턱 전압 분포들은 다른 그레이 코드에 매핑될 수 있다. TLC 메모리 장치에서 LSB, CSB, MSB 중 두 개의 비트에 유저 데이터를 프로그램하고, 나머지 한 비트에 더미 데이터를 프로그램함으로써 문턱 전압 마진을 크게 할 수 있다.
본 명세서에서 리드 전압 마진을 넓히기 위해 MLC 메모리 장치를 SLC로 프로그램하거나 TLC 메모리 장치를 SLC 또는 MLC로 프로그램하는 방법을 다양한 실시예를 들어 설명하였지만, MLC 메모리 장치를 SLC로 프로그램하거나 TLC 메모리 장치를 SLC 또는 MLC로 프로그램하는 방법은 이에 국한되지 않는다.
본 명세서에 자세히 기술되지는 않았지만, 쿼드러플 레벨 셀(QLC) 메모리 장치에서도 이레이즈 셀 디스터브로 인한 정정 불가능한 에러가 발생할 우려가 있는 경우에 이레이즈 상태의 메모리 셀들에 대해서 TLC 그룹, MLC 그룹, SLC 그룹 중 적어도 어느 하나로 지정하여 TLC, MLC, SLC중 적어도 어느 하나의 모드로 액세스할 수 있다.
복수 레벨 셀 오픈 메모리 블록에서 이레이즈 셀 디스터브가 기준치 이상 발생한 경우라도 이레이즈 상태의 메모리 셀들이 위와 같이 M비트 모드로 프로그램되면 리드 마진이 넓어질 수 있다. 상기 프로그램된 데이터가 M비트 모드로 리드되면, 도 6에서와 같이 이레이즈 셀 디스터브가 발생하였다 하더라도 이로 인한 정정 불가능한 에러의 발생을 막을 수 있다.
따라서 상기 이레이즈 상태의 메모리 셀들에 더미 데이터를 쓰고 클로즈하는 대신 이들을 M비트 그룹으로 지정하여 M비트 모드로 프로그램하여 활용함으로써 메모리 시스템(110)의 성능을 향상시킬 수 있다.
그러면 이하에서는, 도 11 내지 도 19를 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따라 도 1 내지 도 10c에서 설명한 메모리 장치(150) 및 컨트롤러(130)를 포함하는 메모리 시스템(110)이 적용된 데이터 처리 시스템 및 전자 기기들에 대해서 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 메모리 시스템을 포함하는 데이터 처리 시스템의 다른 일 예를 개략적으로 도시한 도면이다. 여기서, 도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 메모리 시스템이 적용된 메모리 카드 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 메모리 카드 시스템(6100)은, 메모리 컨트롤러(6120), 메모리 장치(6130), 및 커넥터(6110)를 포함한다.
보다 구체적으로 설명하면, 메모리 컨트롤러(6120)는, 비휘발성 메모리로 구현된 메모리 장치(6130)와 연결되며, 메모리 장치(6130)를 액세스하도록 구현된다. 예컨대, 메모리 컨트롤러(6120)는, 메모리 장치(6130)의 리드, 라이트, 이레이즈, 및 백그라운드(background) 동작 등을 제어하도록 구현된다. 그리고, 메모리 컨트롤러(6120)는, 메모리 장치(6130) 및 호스트(Host) 사이에 인터페이스를 제공하도록 구현되며, 메모리 장치(6130)를 제어하기 위한 펌웨어(firmware)를 구동하도록 구현된다. 즉, 메모리 컨트롤러(6120)는, 도 1에서 설명한 메모리 시스템(110)에서의 컨트롤러(130)에 대응되며, 메모리 장치(6130)는, 도 1에서 설명한 메모리 시스템(110)에서의 메모리 장치(150)에 대응될 수 있다.
그에 따라, 메모리 컨트롤러(6120)는, 램(RAM: Random Access Memory), 프로세싱 유닛(processing unit), 호스트 인터페이스(host interface), 메모리 인터페이스(memory interface), 에러 정정부와 같은 구성 요소들을 포함할 수 있다.
아울러, 메모리 컨트롤러(6120)는, 커넥터(6110)를 통해 외부 장치, 예컨대 도 1에서 설명한 호스트(102)와 통신할 수 있다. 예컨대, 메모리 컨트롤러(6120)는, 도 1에서 설명한 바와 같이, USB(Universal Serial Bus),MMC(multimedia card), eMMC(embeded MMC), PCI(peripheral component interconnection), PCIe(PCI express), ATA(Advanced Technology Attachment), Serial-ATA, Parallel-ATA, SCSI(small computer small interface), ESDI(enhanced small disk interface), IDE(Integrated Drive Electronics), 파이어와이어(Firewire), UFS(Universal Flash Storage), WIFI, Bluetooth 등과 같은 다양한 통신 규격들 중 적어도 하나를 통해 외부 장치와 통신하도록 구성될 수 있으며, 그에 따라 유선/무선 전자 기기들, 특히 모바일 전자 기기 등에 본 발명의 실시 예에 따른 메모리 시스템 및 데이터 처리 시스템이 적용될 수 있다.
그리고, 메모리 장치(6130)는, 비휘발성 메모리로 구현, 예컨대 EPROM(Electrically Erasable and Programmable ROM), 낸드 플래시 메모리, 노어 플래시 메모리, PRAM(Phase-change RAM), ReRAM(Resistive RAM), FRAM(Ferroelectric RAM), STT-MRAM(Spin-Torque Magnetic RAM) 등과 같은 다양한 비휘발성 메모리들로 구현될 수 있다.
아울러, 메모리 컨트롤러(6120) 및 메모리 장치(6130)는, 하나의 반도체 장치로 집적될 수 있으며, 일 예로 하나의 반도체 장치로 집적되어 솔리드 스테이트 드라이브(SSD: Solid State Drive)를 구성할 수 있으며, PC 카드(PCMCIA), 컴팩트 플래시 카드(CF), 스마트 미디어 카드(SM, SMC), 메모리 스틱, 멀티미디어 카드(MMC, RS-MMC, MMCmicro, eMMC), SD 카드(SD, miniSD, microSD, SDHC), 유니버설 플래시 기억장치(UFS) 등과 같은 메모리 카드를 구성할 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 메모리 시스템을 포함하는 데이터 처리 시스템의 다른 일 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 12를 참조하면, 데이터 처리 시스템(6200)은, 적어도 하나의 비휘발성 메모리로 구현된 메모리 장치(6230), 및 메모리 장치(6230)를 제어하는 메모리 컨트롤러(6220)를 포함한다. 여기서, 도 12에 도시한 데이터 처리 시스템(6200)은, 도 1에서 설명한 바와 같이, 메모리 카드(CF, SD, microSD, 등), USB 저장 장치 등과 같은 저장 매체가 될 수 있으며, 메모리 장치(6230)는, 도 1에서 설명한 메모리 시스템(110)에서의 메모리 장치(150)에 대응되고, 메모리 컨트롤러(6220)는, 도 1에서 설명한 메모리 시스템(110)에서의 컨트롤러(130)에 대응될 수 있다.
그리고, 메모리 컨트롤러(6220)는, 호스트(6210)의 요청에 응답하여 메모리 장치(6230)에 대한 리드, 라이트, 이레이즈 동작 등을 제어하며, 메모리 컨트롤러(6220)는 적어도 하나의 CPU(6221), 버퍼 메모리, 예컨대 RAM(6222), ECC 회로(6223), 호스트 인터페이스(6224), 및 메모리 인터페이스, 예컨대 NVM 인터페이스(6225)를 포함한다.
여기서, CPU(6221)는, 메모리 장치(6230)에 대한 전반적인 동작, 예컨대 읽기, 쓰기, 파일 시스템 관리, 배드 페이지 관리 등)을 제어할 수 있다. 그리고, RAM(6222)는, CPU(6221)의 제어에 따라 동작하며, 워크 메모리(work memory), 버퍼 메모리(buffer memory), 캐시 메모리(cache memory) 등으로 사용될 수 있다. 여기서, RAM(6222)이 워크 메모리로 사용되는 경우에, CPU(6221)에서 처리된 데이터가 임시 저장되며, RAM(6222)이 버퍼 메모리로 사용되는 경우에는, 호스트(6210)에서 메모리 장치(6230)로 또는 메모리 장치(6230)에서 호스트(6210)로 전송되는 데이터의 버퍼링을 위해 사용되며, RAM(6222)이 캐시 메모리로 사용되는 경우에는 저속의 메모리 장치(6230)가 고속으로 동작하도록 사용될 수 있다.
아울러, ECC 회로(6223)는, 도 1에서 설명한 컨트롤러(130)의 ECC 유닛(138)에 대응하며, 도 1에서 설명한 바와 같이, 메모리 장치(6230)로부터 수신된 데이터의 페일 비트(fail bit) 또는 에러 비트(error bit)를 정정하기 위한 에러 정정 코드(ECC: Error Correction Code)를 생성한다. 또한, ECC 회로(6223)는, 메모리 장치(6230)로 제공되는 데이터의 에러 정정 인코딩을 수행하여, 패리티(parity) 비트가 부가된 데이터를 형성한다. 여기서, 패리티 비트는, 메모리 장치(6230)에 저장될 수 있다. 또한, ECC 회로(6223)는, 메모리 장치(6230)로부터 출력된 데이터에 대하여 에러 정정 디코딩을 수행할 수 있으며, 이때 ECC 회로(6223)는 패리티(parity)를 사용하여 에러를 정정할 수 있다. 예컨대, ECC 회로(6223)는, 도 1에서 설명한 바와 같이, LDPC code, BCH code, turbocode, 리드-솔로몬 코드, convolution code, RSC, TCM, BCM 등의 다양한 코디드 모듈레이션(coded modulation)을 사용하여 에러를 정정할 수 있다.
그리고, 메모리 컨트롤러(6220)는, 호스트 인터페이스(6224)를 통해 호스트(6210)와 데이터 등을 송수신하며, NVM 인터페이스(6225)를 통해 메모리 장치(6230)와 데이터 등을 송수신한다. 여기서, 호스트 인터페이스(6224)는, PATA 버스, SATA 버스, SCSI, USB, PCIe, 낸드 인터페이스 등을 통해 호스트(6210)와 연결될 수 있다. 또한, 메모리 컨트롤러(6220)는, 무선 통신 기능, 모바일 통신 규격으로 WiFi 또는 LTE(Long Term Evolution) 등이 구현되어, 외부 장치, 예컨대 호스트(6210) 또는 호스트(6210) 이외의 다른 외부 장치와 연결된 후, 데이터 등을 송수신할 수 있으며, 특히 다양한 통신 규격들 중 적어도 하나를 통해 외부 장치와 통신하도록 구성됨에 따라, 유선/무선 전자 기기들, 특히 모바일 전자 기기 등에 본 발명의 실시 예에 따른 메모리 시스템 및 데이터 처리 시스템이 적용될 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 메모리 시스템을 포함하는 데이터 처리 시스템의 다른 일 예를 개략적으로 도시한 도면이다. 여기서, 도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 메모리 시스템이 적용된 솔리드 스테이트 드라이브(SSD: Solid State Drive)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 13을 참조하면, SSD(6300)는, 복수의 비휘발성 메모리들을 포함하는 메모리 장치(6340) 및 컨트롤러(6320)를 포함한다. 여기서, 컨트롤러(6320)는, 도 1에서 설명한 메모리 시스템(110)에서의 컨트롤러(130)에 대응되며, 메모리 장치(6340)는, 도 1에서 설명한 메모리 시스템(110)에서의 메모리 장치(150)에 대응될 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 컨트롤러(6320)는, 복수의 채널들(CH1, CH2, CH3, ?, CHi)을 통해 메모리 장치(6340)와 연결된다. 그리고, 컨트롤러(6320)는, 적어도 하나의 프로세서(6321), 버퍼 메모리(6325), ECC 회로(6322), 호스트 인터페이스(6324), 및 메모리 인터페이스, 예컨대 비휘발성 메모리 인터페이스(6326)를 포함한다.
여기서, 버퍼 메모리(6325)는, 호스트(6310)로부터 수신된 데이터 또는 메모리 장치(6340)에 포함된 복수의 플래시 메모리들(NVMs)로부터 수신된 데이터를 임시 저장하거나, 복수의 플래시 메모리들(NVMs)의 메타 데이터, 예컨대 매핑 테이블을 포함하는 맵 데이터를 임시 저장한다. 또한, 버퍼 메모리(6325)는, DRAM, SDRAM, DDR SDRAM, LPDDR SDRAM, GRAM 등과 같은 휘발성 메모리 또는 FRAM, ReRAM, STT-MRAM, PRAM 등과 같은 비휘발성 메모리들로 구현될 수 있으며, 도 12에서는 설명의 편의를 위해 컨트롤러(6320) 내부에 존재하지만, 컨트롤러(6320) 외부에도 존재할 수 있다.
그리고, ECC 회로(6322)는, 프로그램 동작에서 메모리 장치(6340)로 프로그램될 데이터의 에러 정정 코드 값을 계산하고, 리드 동작에서 메모리 장치(6340)로부터 리드된 데이터를 에러 정정 코드 값에 근거로 하여 에러 정정 동작을 수행하며, 페일된 데이터의 복구 동작에서 메모리 장치(6340)로부터 복구된 데이터의 에러 정정 동작을 수행한다.
또한, 호스트 인터페이스(6324)는, 외부의 장치, 예컨대 호스트(6310)와 인터페이스 기능을 제공하며, 비휘발성 메모리 인터페이스(6326)는, 복수의 채널들을 통해 연결된 메모리 장치(6340)와 인터페이스 기능을 제공한다.
아울러, 도 1에서 설명한 메모리 시스템(110)이 적용된 SSD(6300)는, 복수개가 적용되어 데이터 처리 시스템, 예컨대 RAID(Redundant Array of Independent Disks) 시스템을 구현할 수 있으며, 이때 RAID 시스템에는, 복수의 SSD(6300)들과, 복수의 SSD(6300)들을 제어하는 RAID 컨트롤러가 포함될 수 있다. 여기서, RAID 컨트롤러는, 호스트(6310)로부터 라이트 커맨드를 수신하여, 프로그램 동작을 수행할 경우, 라이트 커맨드에 해당하는 데이터를, 복수의 RAID 레벨들, 즉 복수의 SSD(6300)들에서 호스트(6310)로부터 수신된 라이트 커맨드의 RAID 레벨 정보에 상응하여, 적어도 하나의 메모리 시스템, 다시 말해 SSD(6300)을 선택한 후, 선택한 SSD(6300)로 출력할 수 있다. 또한, RAID 컨트롤러는, 호스트(6310)로부터 리드 커맨드를 수신하여 리드 동작을 수행할 경우, 복수의 RAID 레벨들, 즉 복수의 SSD(6300)들에서 호스트(6310)로부터 수신된 리드 커맨드의 RAID 레벨 정보에 상응하여, 적어도 하나의 메모리 시스템, 다시 말해 SSD(6300)을 선택한 후, 선택한 SSD(6300)로부터 데이터를 호스트(6310)로 제공할 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 메모리 시스템을 포함하는 데이터 처리 시스템의 다른 일 예를 개략적으로 도시한 도면이다. 여기서, 도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 메모리 시스템이 적용된 eMMC(embedded multimediacard)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 14를 참조하면, eMMC(6400)는, 적어도 하나의 낸드 플래시 메모리로 구현된 메모리 장치(6440), 및 컨트롤러(6430)를 포함한다. 여기서, 컨트롤러(6430)는, 도 1에서 설명한 메모리 시스템(110)에서의 컨트롤러(130)에 대응되며, 메모리 장치(6440)는, 도 1에서 설명한 메모리 시스템(110)에서의 메모리 장치(150)에 대응될 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 컨트롤러(6430)는, 복수의 채널들을 통해, 메모리 장치(2100)와 연결된다. 그리고, 컨트롤러(6430)는, 적어도 하나의 코어(6432), 호스트 인터페이스(6431), 및 메모리 인터페이스, 예컨대 낸드 인터페이스(6433)를 포함한다.
여기서, 코어(6432)는, eMMC(6400)의 전반적인 동작을 제어하며, 호스트 인터페이스(6431)는, 컨트롤러(6430)와 호스트(6410) 간의 인터페이스 기능을 제공하며, 낸드 인터페이스(6433)는, 메모리 장치(6440)와 컨트롤러(6430) 간의 인터페이스 기능을 제공한다. 예컨대, 호스트 인터페이스(6431)는, 도 1에서 설명한 바와 같이, 병렬 인터페이스, 일 예로 MMC 인터페이스가 될 수 있으며, 아울러 직렬 인터페이스, 일 예로 UHS((Ultra High Speed)-Ⅰ/UHS-Ⅱ?, UFS 인터페이스가 될 수 있다.
도 15내지 도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 메모리 시스템을 포함하는 데이터 처리 시스템의 다른 일 예를 개략적으로 도시한 도면이다. 여기서, 도 15 내지 도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 메모리 시스템이 적용된 UFS(Universal Flash Storage)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 15 내지 도 18을 참조하면, 각각의 UFS 시스템들(6500,6600,6700,6800)은, 호스트들(6510,6610,6710,6810), UFS 장치들(6520,6620,6720,6820), 및 UFS 카드들(6530,6630,6730,6830)을 각각 포함할 수 있다. 여기서, 각각의 호스트(6510,6610,6710,6810)은, 유선/무선 전자 기기들, 특히 모바일 전자 기기 등의 어플리케이션 프로세서가 될 수 있으며, 또한 각각의 UFS 장치들(6520,6620,6720,6820)은, 임베디드 UFS(Embedded UFS) 장치들이 되고, 아울러 각각의 UFS 카드들(6530,6630,6730,6830)은, 외부 임베디드 UFS(External Embedded UFS) 장치 또는 리무벌 UFS 카드(Removable UFS Card)가 될 수 있다.
또한, 각 UFS 시스템들(6500,6600,6700,6800)에서, 각각의 호스트들(6510,6610,6710,6810), UFS 장치들(6520,6620,6720,6820), 및 UFS 카드들(6530,6630,6730,6830) 간은, 각각 UFS 프로토콜을 통해 외부의 장치들, 예컨대 유선/무선 전자 기기들, 특히 모바일 전자 기기 등과 통신할 수 있으며, UFS 장치들(6520,6620,6720,6820)과 UFS 카드들(6530,6630,6730,6830)은, 도 1에서 설명한 메모리 시스템(110)으로 구현될 수 있다. 예컨대, 각 UFS 시스템들(6500,6600,6700,6800)에서, UFS 장치들(6520,6620,6720,6820)은, 도 12 내지 도 14에서 설명한 데이터 처리 시스템(6200), SSD(6300), 또는 eMMC(6400) 형태로 구현될 수 있으며, UFS 카드들(6530,6630,6730,6830)은, 도 10에서 설명한 메모리 카드 시스템(6100) 형태로 구현될 수 있다.
아울러, 각 UFS 시스템들(6500,6600,6700,6800)에서, 각각의 호스트들(6510,6610,6710,6810), UFS 장치들(6520,6620,6720,6820), 및 UFS 카드들(6530,6630,6730,6830) 간은, UFS(Universal Flash Storage) 인터페이스, 예컨대 MIPI(Mobile Industry Processor Interface)에서의 MIPI M-PHY 및 MIPI UniPro(Unified Protocol)을 통해 통신을 수행할 수 있으며, 아울러 UFS 장치들(6520,6620,6720,6820)과 UFS 카드들(6530,6630,6730,6830) 간은, UFS 프로토콜이 아닌 다른 프로토콜을 통해 통신할 수 있으며, 예컨대 다양한 카드 프로토콜, 일 예로 UFDs, MMC, SD(secure digital), mini SD, Micro SD 등을 통해 통신할 수 있다.
그리고, 도 15에 도시한 UFS 시스템(6500)에서, 호스트(6510), UFS 장치(6520), 및 UFS 카드(6530)에는, UniPro이 각각 존재하며, 호스트(6510)는, UFS 장치(6520) 및 UFS 카드(6530)와 각각 통신을 수행하기 위해, 스위칭(switching) 동작을 수행하며, 특히 호스트(6510)는, UniPro에서의 링크 레이어(Link Layer) 스위칭, 예컨대 L3 스위칭을 통해, UFS 장치(6520)와 통신을 수행하거나 또는 UFS 카드(6530)와 통신을 수행한다. 이때, UFS 장치(6520)와 UFS 카드(6530) 간은, 호스트(6510)의 UniPro에서 링크 레이어 스위칭을 통해, 통신을 수행할 수도 있다. 여기서, 본 발명의 실시 예에서는, 설명의 편의를 위해, 호스트(6510)에 각각 하나의 UFS 장치(6520) 및 UFS 카드(6530)가 연결되는 것을 일 예로 하여 설명하였지만, 복수의 UFS 장치들과 UFS 카드들이, 호스트(6410)에 병렬 형태 또는 스타 형태로 연결될 수도 있으며, 또한 복수의 UFS 카드들이, UFS 장치(6520)에, 병렬 형태 또는 스타 형태로 연결되거나 직렬 형태 또는 체인 형태로 연결될 수도 있다.
또한, 도 16에 도시한 UFS 시스템(6600)에서, 호스트(6610), UFS 장치(6620), 및 UFS 카드(6630)에는, UniPro이 각각 존재하며, 스위칭 동작을 수행하는 스위칭 모듈(6640), 특히 UniPro에서의 링크 레이어 스위칭, 예컨대 L3 스위칭 동작을 수행하는 스위칭 모듈(6640)을 통해, 호스트(6610)는, UFS 장치(6620)와 통신을 수행하거나 또는 UFS 카드(6630)와 통신을 수행한다. 이때, UFS 장치(6520)와 UFS 카드(6530) 간은, 스위칭 모듈(6640)의 UniPro에서 링크 레이어 스위칭을 통해, 통신을 수행할 수도 있다. 여기서, 본 발명의 실시 예에서는, 설명의 편의를 위해, 스위칭 모듈(6640)에 각각 하나의 UFS 장치(6620) 및 UFS 카드(6630)가 연결되는 것을 일 예로 하여 설명하였지만, 복수의 UFS 장치들과 UFS 카드들이, 스위칭 모듈(6640)에 병렬 형태 또는 스타 형태로 연결될 수도 있으며, 또한 복수의 UFS 카드들이, UFS 장치(6620)에, 병렬 형태 또는 스타 형태로 연결되거나 직렬 형태 또는 체인 형태로 연결될 수도 있다.
아울러, 도 17에 도시한 UFS 시스템(6700)에서, 호스트(6710), UFS 장치(6720), 및 UFS 카드(6730)에는, UniPro이 각각 존재하며, 스위칭 동작을 수행하는 스위칭 모듈(6740), 특히 UniPro에서의 링크 레이어 스위칭, 예컨대 L3 스위칭 동작을 수행하는 스위칭 모듈(6740)을 통해, 호스트(6710)는, UFS 장치(6720)와 통신을 수행하거나 또는 UFS 카드(6730)와 통신을 수행한다. 이때, UFS 장치(6720)와 UFS 카드(6730) 간은, 스위칭 모듈(6740)의 UniPro에서 링크 레이어 스위칭을 통해, 통신을 수행할 수도 있으며, 스위칭 모듈(6740)은, UFS 장치(6720)의 내부 또는 외부에서 UFS 장치(6720)와 하나의 모듈로 구현될 수 있다. 여기서, 본 발명의 실시 예에서는, 설명의 편의를 위해, 스위칭 모듈(6740)에 각각 하나의 UFS 장치(6620) 및 UFS 카드(6630)가 연결되는 것을 일 예로 하여 설명하였지만, 스위칭 모듈(6740)과 UFS 장치(6720)가 각각 구현된 복수의 모듈들이, 호스트(6710)에 병렬 형태 또는 스타 형태로 연결되거나, 각각의 모듈들 간이 직렬 형태 또는 체인 형태로 연결될 수도 있으며, 또한 복수의 UFS 카드들이 스위칭 모듈(6740)에 병렬 형태 또는 스타 형태로 연결될 수도 있다.
그리고, 도 8에 도시한 UFS 시스템(6800)에서, 호스트(6810), UFS 장치(6820), 및 UFS 카드(6830)에는, M-PHY 및 UniPro이 각각 존재하며, UFS 장치(6820)는, 호스트(6810) 및 UFS 카드(6830)와 각각 통신을 수행하기 위해, 스위칭 동작을 수행하며, 특히 UFS 장치(6820)는, 호스트(6810)와의 통신을 위한 M-PHY 및 UniPro 모듈과, UFS 카드(6830)와의 통신을 위한 M-PHY 및 UniPro 모듈 간, 스위칭, 예컨대 타겟(Target) ID(identifier) 스위칭을 통해, 호스트(6810)와 통신을 수행하거나 또는 UFS 카드(6830)와 통신을 수행한다. 이때, 호스트(6810)와 UFS 카드(6530) 간은, UFS 장치(6820)의 M-PHY 및 UniPro 모듈 간 타겟 ID 스위칭을 통해, 통신을 수행할 수도 있다. 여기서, 본 발명의 실시 예에서는, 설명의 편의를 위해, 호스트(6810)에 하나의 UFS 장치(6820)가 연결되고, 또한 하나의 UFS 장치(6820)에 하나의 UFS 카드(6830)가 연결되는 것을 일 예로 하여 설명하였지만, 호스트(6810)에 복수의 UFS 장치들이 병렬 형태 또는 스타 형태로 연결되거나 직렬 형태 또는 체인 형태로 연결될 수도 있으며, 하나의 UFS 장치(6820)에 복수의 UFS 카드들이 병렬 형태 또는 스타 형태로 연결되거나 직렬 형태 또는 체인 형태로 연결될 수도 있다.
도 19는 본 발명의 실시 예에 따른 메모리 시스템을 포함하는 데이터 처리 시스템의 또 다른 일 예를 개략적으로 도시한 도면이다. 여기서, 도 19는 본 발명에 따른 메모리 시스템이 적용된 사용자 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 19를 참조하면, 사용자 시스템(6900)은, 애플리케이션 프로세서(6930), 메모리 모듈(6920), 네트워크 모듈(6940), 스토리지 모듈(6950), 및 사용자 인터페이스(6910)를 포함한다.
보다 구체적으로 설명하면, 애플리케이션 프로세서(6930)는, 사용자 시스템(6900)에 포함된 구성 요소들, 운영 시스템(OS: Operating System)을 구동시키며, 일 예로 사용자 시스템(6900)에 포함된 구성 요소들을 제어하는 컨트롤러들, 인터페이스들, 그래픽 엔진 등을 포함할 수 있다. 여기서, 애플리케이션 프로세서(6930)는 시스템-온-칩(SoC: System-on-Chip)으로 제공될 수 있다.
그리고, 메모리 모듈(6920)은, 사용자 시스템(6900)의 메인 메모리, 동작 메모리, 버퍼 메모리, 또는 캐시 메모리로 동작할 수 있다. 여기서, 메모리 모듈(6920)은, DRAM, SDRAM, DDR SDRAM, DDR2 SDRAM, DDR3 SDRAM, LPDDR SDARM, LPDDR3 SDRAM, LPDDR3 SDRAM 등과 같은 휘발성 랜덤 액세스 메모리 또는 PRAM, ReRAM, MRAM, FRAM 등과 같은 비휘발성 랜덤 액세스 메모리를 포함할 수 있다. 예컨대, 애플리케이션 프로세서(6930) 및 메모리 모듈(6920)은, POP(Package on Package)를 기반으로 패키지화되어 실장될 수 있다.
또한, 네트워크 모듈(6940)은, 외부 장치들과 통신을 수행할 수 있다. 예를 들어, 네트워크 모듈(6940)은, 유선 통신을 지원할뿐만 아니라, CDMA(Code Division MultipleAccess), GSM(Global System for Mobile communication), WCDMA(wideband CDMA), CDMA-2000, TDMA(Time Dvision MultipleAccess), LTE(Long Term Evolution), Wimax, WLAN, UWB, 블루투스, WI-DI 등과 같은 다양한 무선 통신을 지원함으로써, 유선/무선 전자 기기들, 특히 모바일 전자 기기 등과 통신을 수행할 수 있으며, 그에 따라 본 발명의 실시 예에 따른 메모리 시스템 및 데이터 처리 시스템이 유선/무선 전자 기기들에 적용될 수 있다. 여기서, 네트워크 모듈(6940)은, 애플리케이션 프로세서(6930)에 포함될 수 있다.
아울러, 스토리지 모듈(6950)은, 데이터를 저장, 예컨대 애플리케이션 프로세서(6930)로부터 수신한 데이터를 저장한 후, 스토리지 모듈(6950)에 저장된 데이터를 애플리케이션 프로세서(6930)로 전송할 수 있다. 여기서, 스토리지 모듈(6950)은, PRAM(Phasechange RAM), MRAM(Magnetic RAM), RRAM(Resistive RAM), NAND flash, NOR flash, 3차원 구조의 NAND 플래시 등과 같은 비휘발성 메모리 등으로 구현될 수 있으며, 또한 사용자 시스템(6900)의 메모리 카드, 외장형 드라이브 등과 같은 탈착식 저장 매체(removable drive)로 제공될 수 있다. 즉, 스토리지 모듈(6950)은, 도 1에서 설명한 메모리 시스템(110)에 대응될 수 있으며, 아울러 도 13 내지 도 18에서 설명한 SSD, eMMC, UFS로 구현될 수도 있다.
그리고, 사용자 인터페이스(6910)는, 애플리케이션 프로세서(6930)에 데이터 또는 명령어를 입력하거나 또는 외부 장치로 데이터를 출력하는 인터페이스들을 포함할 수 있다. 예컨대, 사용자 인터페이스(6910)는, 키보드, 키패드, 버튼, 터치 패널, 터치 스크린, 터치 패드, 터치 볼, 카메라, 마이크, 자이로스코프 센서, 진동 센서, 압전 소자 등과 같은 사용자 입력 인터페이스들을 포함할 수 있으며, 아울러 LCD(Liquid Crystal Display), OLED(Organic Light Emitting Diode) 표시 장치, AMOLED(Active Matrix OLED) 표시 장치, LED, 스피커, 모터 등과 같은 사용자 출력 인터페이스들을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따라 도 1에서 설명한 메모리 시스템(110)이, 사용자 시스템(6900)의 모바일 전자 기기에 적용될 경우, 어플리케이션 프로세서(6930)는, 모바일 전자 기기의 전반적인 동작을 제어하며, 네트워크 모듈(6940)은, 통신 모듈로서, 전술한 바와 같이 외부 장치와의 유선/무선 통신을 제어한다. 아울러, 사용자 인터페이스(6910)는, 모바일 전자 기기의 디스플레이/터치 모듈로 어플리케이션 프로세서(6930)에서 처리된 데이터를 디스플레이하거나, 터치 패널로부터 데이터를 입력 받도록 지원한다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (20)

  1. 메모리 시스템의 동작 방법에 있어서,
    상기 메모리 시스템은 하나의 메모리 셀에 N비트 데이터를 저장할 수 있는 복수 레벨 셀(Plural level cell) 메모리 블록을 포함하고,
    상기 복수 레벨 셀 메모리 블록이 액세스될 때마다 상기 액세스된 복수 레벨 셀 메모리 블록의 디스터브 정도를 판단하는 단계;
    상기 판단 결과에 따라 상기 액세스된 복수 레벨 셀 메모리 블록 중 오픈 메모리 블록에 포함된 하나 또는 그 이상의 이레이즈 상태의 메모리 셀들을 M비트-M은 N보다 작은 정수- 그룹으로 지정하는 단계; 및
    상기 M비트 그룹에 대하여는 M비트 셀 모드로 액세스하는 단계
    를 포함하는 동작 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 판단하는 단계는
    상기 메모리 블록의 리드 카운트가 소정의 임계치를 넘었는지 확인하는 단계
    를 포함하는 동작 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 M비트 셀 모드로 액세스하는 단계는
    M비트 셀 모드로 프로그램하는 단계
    를 포함하는 동작 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 M비트 셀 모드로 프로그램하는 단계는
    상기 복수 레벨 셀의 M개 비트에 유저 데이터를 프로그램하는 단계
    를 포함하는 동작 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 M비트 셀 모드로 프로그램하는 단계는
    상기 유저 데이터를 프로그램한 M개 비트를 제외한 나머지 N-M개 비트에 더미 데이터를 프로그램하는 단계
    를 더 포함하는 동작 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 M비트 셀 모드로 액세스하는 단계는
    M비트 셀 모드로 리드하는 단계
    를 포함하는 동작 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 M비트 셀 모드로 리드하는 단계는
    이레이즈 상태와 프로그램 상태를 구분하는 리드 전압을 높여서 리드하는 단계
    를 포함하는 동작 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수 레벨 셀 메모리 블록은 MLC 메모리 블록이고,
    상기 M비트 그룹은 SLC 그룹이고,
    상기 M비트 셀 모드는 SLC 모드인
    동작 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수 레벨 셀 메모리 블록은 TLC 메모리 블록이고,
    상기 M비트 그룹은 SLC 그룹이고,
    상기 M비트 셀 모드는 SLC 모드인
    동작 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수 레벨 셀 메모리 블록은 TLC 메모리 블록이고,
    상기 M비트 그룹은 MLC 그룹이고,
    상기 M비트 셀 모드는 MLC 모드인
    동작 방법
  11. 메모리 시스템에 있어서,
    하나의 메모리 셀에 N비트 데이터를 저장할 수 있는 복수 레벨 셀(Plural level cell) 메모리 블록을 포함하는 메모리 장치; 및
    상기 메모리 장치를 제어하는 컨트롤러
    를 포함하되,
    상기 컨트롤러는 상기 복수 레벨 셀 메모리 블록이 액세스될 때마다 상기 액세스된 복수 레벨 셀 메모리 블록의 디스터브 정도를 판단하고, 상기 판단 결과에 따라 상기 액세스된 복수 레벨 셀 메모리 블록 중 오픈 메모리 블록에 포함된 하나 또는 그 이상의 이레이즈 상태의 메모리 셀들을 M비트-M은 N보다 작은 정수- 그룹으로 지정하여, 상기 M비트 그룹에 대하여는 M비트 셀 모드로 액세스하는
    메모리 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 메모리 블록의 리드 카운트가 소정의 임계치를 넘었는지 확인함으로써 상기 디스터브 정도를 판단하는
    메모리 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 M비트 셀 모드 액세스는
    M비트 셀 모드 프로그램 동작
    을 포함하는 메모리 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 복수 레벨 셀의 M개 비트에 유저 데이터를 프로그램함으로써 상기 M비트 셀 모드 프로그램 동작을 수행하는
    메모리 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 유저 데이터를 프로그램한 M개 비트를 제외한 나머지 N-M개 비트에 더미 데이터를 더 프로그램함으로써 상기 M비트 셀 모드 프로그램 동작을 수행하는
    메모리 시스템.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 M비트 셀 모드 액세스는
    M비트 셀 모드 리드 동작
    을 포함하는 메모리 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 M비트 셀 모드 리드 동작시 이레이즈 상태와 프로그램 상태를 구분하는 리드 전압을 높여서 리드하는
    메모리 시스템.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 복수 레벨 셀 메모리 블록은 MLC 메모리 블록이고,
    상기 M비트 그룹은 SLC 그룹이고,
    상기 M비트 셀 모드는 SLC 모드인
    메모리 시스템.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 복수 레벨 셀 메모리 블록은 TLC 메모리 블록이고,
    상기 M비트 그룹은 SLC 그룹이고,
    상기 M비트 셀 모드는 SLC 모드인
    메모리 시스템.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 복수 레벨 셀 메모리 블록은 TLC 메모리 블록이고,
    상기 M비트 그룹은 MLC 그룹이고,
    상기 M비트 셀 모드는 MLC 모드인
    메모리 시스템.

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