TW511087B - Novel method and structure for reliable data copy operation for non-volatile memories - Google Patents

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511087 A7 B7 五、發明説明（彳） 技術領域 本發明有關一種半導體非依電性記憶體之架構及操作 方法’並應用於快閃電性可抹去，可程式唯獨記憶體（ E E P R 〇 Μ )。 發明背景 E E P R ΟΜ—般應用於電子裝置的大量資料儲存次 系統。此種次系統通常做成能插於多個不同主系統的可移 除記憶卡，或主系統內的內嵌式儲存機構。在上述的兩種 應用中，次系統包括一個或多個快閃裝置及次系統控制器 〇 快閃E E P R〇Μ裝置包括一個或多個電晶體細胞陣 列，每一細胞可非依電性地儲存一個或多個資料位元。因 此，快閃記憶體不需電源，便能保持其內所儲存的資料。 然而，一旦加以程式化，在寫入新的資料lit，必須先淸除 細胞內的資料。將這些陣列分割成多個群組，以利於讀取 ，程式化及抹去的操作。在典型的大容量快閃記憶體架構 中，可抹去區塊內配置有大量的細胞群。每一區塊進一步 被分割成一個或多個可定址的區段，並作爲讀取及程式化 的基本單元。 次系統控制器實施多種功能，包括將次系統的邏輯區 塊位址轉換成實體的晶片，區塊及區段位址。控制器並透 過一系列的命令來管理低階的快閃電路操作，且該命令是 經由介面匯流排發至快閃記憶裝置。控制器的另一功能在 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） —-------- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部眢惡財產^員工消費合作社印製 ㈣ _ 511087 A7 ____ B7_ 五、發明説明（2 ) 於透過各種機制，維持次系統內的資料完整性（例如，使 用錯誤修正碼）。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 當操作此種次系統時，抹除區塊包含多個區段，有時 需要將一區段的資料內容拷貝至另一已抹除的區段內。有 時，當主單元以新的資料取代區塊內部分區段資料的同時 ，保持原區塊內未受影響的區段資料。圖1顯示進行此種 操作的例子。從原始區塊內讀出未受影響的區段資料，並 依序地寫入另一區塊之已抹除的區段內。並且，將主單元 的新資料寫入新區塊的抹除區段中。當完成上述的操作後 ，便抹去具有替換資料的原區塊。 Δ 在上述的操作中，當利用習知的快閃記憶體時，需從 讀取記憶體將資料傳送至被程式化的記憶體。這些資料的 傳送會產生時間延遲，且延遲時間相當於區段大小（由快 閃記憶體介面匯流排的寬度所劃分）與匯流排週期的乘積 。且這些操作經常實施於同一個實體記憶體上。 經濟部智慧財產苟資工消費合作社印製 爲了進一步說明資料傳輸延遲對整體操作的衝擊，利 用圖1作更詳細的描述。在此，假設區塊由十六個區段所 構成，且每一區段依次以0至1 6表示，如圖1所示。當 欲將新的資料覆寫至資料區塊的區段7至9時，寫入程序 如下： 1 .指定一個尙未使用，且已抹除的區塊； 2 ·選擇原始區塊的位址，讀取原始區塊的區段〇 , 從快閃E E P R〇Μ將資料傳送至控制器； 3 ·選擇新指定的區塊位址，將資料傳回快閃 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） -5- 經濟部智慧財4笱員工消費合作钍印製 511087 A7 ___ _B7 五、發明説明（3 ) E E P R Ο Μ並將指定區塊的區段〇程式化； 4 ·對區段1至6重複步驟2至3 ; 5 ·選擇新指定區塊的位址，將來自主單元之區段7 的新資料傳送至快閃E E P R Ο Μ，並將其寫入新指定的 區塊內； 6 ·對區段8至9重複上述的步驟； 7 ·選擇原始區塊的位址，讀取原始區塊的區段1 〇 ，將資料從快閃E E P R〇Μ傳送至控制器； 8 ·選擇新指定區塊的位址，將資料傳回快閃 E E P R Ο Μ並將指定區塊的區段1 〇程式化； 9 ·對區段1 1至1 5重複上述的步驟7及8 ; 1 0 ·抹除原始區塊的資料，以作進一步的寫入操作 〇 圖2顯示習知快閃E E P R〇Μ的內部架構4 0 0 〇 。主要的特徵包括I / 0匯流排4 1 1 ;與外部控制器界 接的控制訊號4 1 2 ;利用命令，位址及狀態暫存器，控 制內部記憶體操作的記憶體控制電路4 5 0 ; —個或多個 快閃E E P R〇Μ細胞陣列4 0 0 ;每一陣列均有本身的 列解碼器（X D E C ) 4 0 1以及行解碼器（Y D E C ) 4 0 2 ; —組檢測放大器：放大/程式化控制電路4 5 4 及資料暫存器4 0 4。 若需要的話，可提供多個陣列4 0 0以及相關的X解 碼器，Υ解碼器，程式化/確認電路，資料暫存器，一如 美國專利第5 8 9 0 1 9 2號所揭露的技術（1 9 9 9年 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） I. n ^ ：IT^ ^~ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -6- 經濟部智慧財凌笱員工消费合作社印製 511087 A7 B7 五、發明説明（4 ) 3月30日公告，Sand isk公司，本案授權人）。 I /〇匯流排4 1 1及控制訊號4 1 2需具有下述的 訊號： C S - C h i選擇訊號用以致能快閃記憶體的介面。 R S - R e a d問頻訊號用以指不A D匯流排正進行讀取 操作。 W S - Write閃頻訊號用以指示A D匯流排正進行寫入 操作。 A S -位址閃頻訊號用以指示A D匯流排正傳送位址 資訊。 A D〔 7 : 0〕一位址/資料匯流排用以在控制器及 快閃記憶體的命令，位址及資料暫存器間傳送資料。 此介面僅爲一例。亦可使用具有同樣功能的其他配置 。雖然，圖中僅顯示一個具相關元件的快閃記億體陣列 4 0 0，但實際上可在單一快閃記憶體晶片上，提供多個 共用介面及記憶體控制電路的陣列，這些陣列具有個別 XDEC, YDEC, SA/PROG 及 DATA R E G電路，來作平行讀取及程式化操作。 來自快閃E E PRO M4 0 〇 〇之資料暫存器4 0 4 的資料經由耦合至I /〇匯流排A D〔 7 : 0〕4 1 1的 資料暫存器傳送至外部控制器。資料暫存器4 0 4亦耦合 至放大/程式化控制電路4 5 4。與每一放大/程式化控 制電路4 5 4耦合之資料暫存器的元件數是依每一快閃 本紙張尺度適用中國國家標準( CNS ) A4規格（210X297公釐） IL------10----Ί--1T----.--ΜΎ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -7- 511087 A7 ___B7_ 五、發明説明（5 ) E E P R〇Μ細胞的儲存位元數而定。如果使用多狀態記 憶細胞，則每一快閃E E P R Ο Μ細胞可包括多個位元， 如2至4個位元。 列解碼器（X D E C ) 4 0 1將陣列4 0 0的列位址 解碼，以選取存取的實體區段。列解碼器（X D E C ) 4 0 1從記憶體控制邏輯4 5 0經由內部的列位址線 4 1 9接收列位址。行解碼器（Y D E C ) 4 〇 2從記憶 體控制邏輯4 5 0經由內部的行位址線4 2 9接收行位址 〇 通常會在可程式化的區段上附加上錯誤偵測及修正碼 (E C C ).，以確保儲存資料的正確性。一些系統會利用 傳輸的時機來檢查讀取資料的正確性，並確保資料能正確 地寫入新的位址。由於這些裝置的精確設計，發生錯誤的 情形相當少見。 圖3顯示典型的快閃記憶卡架構，其具有實施主單元 及記億體控制功能的單一控制器3 0 1，以及由一個或多 個快閃記憶體所構成的快閃記億體陣列。系統控制器及快 閃記憶體由匯流排3 0 2所連接，並使控制器3 0 1能從 快閃記億體陣列載入命令，位址，及傳輸資料。 圖4顯示從來源位址（S R C〔 Ν〕）拷貝至目的位 址（D S Τ〔 Ν〕）的拷貝時序圖。R E A D訊號指示正 從來源區段讀取資料。X F E R訊號指示資料正於快閃資 料暫存器與控制器間傳輸。R /W B訊號指示傳輸的方向 (高位準代表資料從快閃記億體讀至控制器，低位準代表 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉A4規格（210X297公釐） IL!------0----Ί-I1T——^——.——辱 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -8- 511087 A 7 _____B7_ 五、發明説明（6 ) 從控制器將資寫入快閃記憶體）。P R〇G訊號指示正對 目標位址進行程式化的操作。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 典型的時序値：

Trd = 25ps Tx = 26.4ps Tprg = 30〇ps Tera = 500-3000ps( 未顯示） 因此拷貝單一區段的總時間爲（如圖4所示）

Tc〇py = Trd + 2*Tx + Tprg = 377 \xs 資料傳輸時間佔整體拷貝操作的1 4 % 經濟部智慧財4¾員X消费合作社印製 通常在非依電性記億體的設計中，會加可程式化的細 胞數，並進行一次讀取，以提升裝置的讀寫性能。可藉由 增加記憶體陣列的數目，增加單面記憶頁的大小，對多個 晶片實施平行程式化操作，或上述的結合來達成效能提升 的目標。然而，對大量的細胞進行程式化及讀取操作時， 上述的方式會增加資料傳輸的長度，因此在程式及資料讀 取時間上，並不會有顯著的變化。因此，對於增加平行性 的系統而言，資料拷貝會花費不少的時間。在下例中，四 重平行系統進行拷貝所需的時間如下：

Tc〇py = Trd + 8*Tx + Tprg = 536.2ps 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -9- 511087 A7 —__B7_ 五、發明説明（7 ) 資料傳輸時間佔整體拷貝操作的3 9 % (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 美國專利第6 0 4 0 9 9 7號揭露一種技術，其中在 快閃記憶體內提供內部緩衝器，能將從快閃記憶體之第一 位置所讀取的資料覆寫至快閃記億體內的第二位置，而無 須將資料傳出快閃記憶體。如此，可提升資料的傳輸時間 。然而，此技術並未提供錯誤檢查及錯誤偵測，而簡單地 假設從第一位置讀出的資料完全正確。 綜合上述，需要一種方法，能有效地進行拷貝操作， 而不產生延遲，並可確保資料的完整性。 發明總結 經濟部智慈財4笱1貝工消费合泎社印製 一種非依電性記憶體，其中當讀取後，使用來自一實 體定址位置之記憶體細胞的資料，對不同的定址位置進行 程式化操作。如此，可避免將資料傳出，傳回記億體電路 所產生的延遲，而提升記憶體儲存系統的整體性能。在實 施操作時，另外將資料傳送至控制電路，來確認資料的有 效性。如此，可在實施程式化的同時，對資料進行確認， 而在不影響可靠性的情況下提升整體的性能。 圖示的簡單描述 圖1顯示在習知E EPROM中，將資料寫入邏輯位 址的步驟； 圖2顯示習知E P R 0 Μ的方塊圖； 圖3顯示顯示習知快閃儲存次系統的架構； 本紙浪尺度適用中國國家標準(CNS ) Α4規格（2⑴Χ297公釐） 垂~ -10- 經濟部智慧財工消费合作社印製 511087 Μ ___ _Β7____ 五、發明説明（8 ) 圖4顯示習知記憶頁拷貝操作的時序圖； Η 5顯示依據本發明實施例之半導體非依電性記憶體 的簡圖；及 圖6顯示在依據本發明之實施例中，進行拷貝操作所 發生的事件。 元件符號對照表 3 0 1 控制器 3 0 2 匯流排 4 0 0 陣列 4 01 列解碼器 402 行解碼器 404 資料暫存器 4 11 I /〇匯流排 412 控制訊號 419 列位址線 4 2 9 行位址線 4 5 0 記憶體控制邏輯 4 5 4 放大/程式化控制電路 4 0 0 0 快閃E E P R〇Μ 詳細描述 圖5顯示依據本發明實施例之半導體非依電性記億體 的簡圖。圖中的記憶體系統包括兩個分離的位址記憶體陣 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X29*7公釐〉 IL------I------IT------ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -11 - 511087 Α7 Β7 五、發明説明（9 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 列400 — 〇及40Q— N，每一陣列具有定址特定字元 線，檢測細胞臨界電壓，以及儲存檢測資料的相關電路， 如圖2所示。記憶體系統亦包括關聯到每一陣列的程式化 電路’用以抹去由一個或多個字元線所控制的細胞群，並 沿著一定址字元線將細胞程式化。圖5顯示具兩個分離陣 列以及一控制器電路的系統，但本發明可應用至具任意陣 列數的非依電性記憶體細胞，以及將控制器與單一或多個 記億體陣列合倂於相同半導體裝置內的系統。 在本發明中，儲存檢測資料以及提供程式化資料的電 路在實體上利用相同的記憶體元件。因此，一旦讀取資料 並儲存至檢測資料暫存器後，則該電路可用來進行程式化 的操作。 此外，定址的機制如下：當在特定的位址字元線上實 施讀取操作時，可改變位址，以對同一陣列中的不同字元 線實施定址，而能以檢測之資料暫存器內的資料對其後的 字元線進行程式化。因此，此電路可有效地實施從一字元 線到另一字元線的拷貝操作，而不需將資料傳出記憶裝置 〇 經濟部智1財4笱員工消費合作社印製 例如，將一區塊（含1 6個區段）之區段7至區段9 中的資料實施覆寫，覆寫的程序爲： 1 ·指定一個尙未使用的區塊來實施區段寫入操作； 2 ·選擇原始區塊的位址，將原始區塊的區段〇讀入 資料暫存器； 本紙張尺度適用中國國家標率（CNS ) A4規格（21〇Χ 297公釐） -12- 511087 A7 _________B7_ 五、發明説明（10) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 3 ·選擇新指定的區塊位址，並開始對新指定的區塊 實施程式化操作。同時，從資料暫存器將資料傳送至控制 益電路，以檢查資料的有效性； 4 .檢查記憶體狀態暫存器及資料有效性狀態。如果 錯誤，啓動錯誤回復機制； 5 ·對區段1至6重複步驟2至4 ; 6 ·選擇新指定區塊的位址，從控制器將區段7的新 資料傳送至快閃E E P R〇μ，並將其寫入新指定的區塊 內； 7 ·檢查記憶體狀態暫存器。如果錯誤，啓動錯誤回 復機制； 8·對區段8至9重複上述的步驟6及7; 9 ·選擇原始區塊的位址，將原始區塊的區段1 〇讀 入資料暫存器； 1 0 ·运擇新指定區塊的位址，並開始對新指定的區 塊實施程式化操作。同時，從資料暫存器將資料傳送至控 制器電路，以檢查資料的有效性； 經濟部智慈財產消费合作社印製 11·檢查記億體狀態暫存器及資料有效性狀態。 1 2 ·對區段1 1至1 5重複上述的步驟9及1 1 ; 圖6顯示在依據本發明之實施例中，進行拷貝操作所 發生的事件。箭頭表示，當進行讀取（1 ),主對從暫存 器傳送（2 )，程式化（3 )及資料傳送（3 )時，資料 流的方向。資料傳送及程式化操作均以（3 )表示，代表 兩者爲平f了的操作。 本紙張尺度適用中國國家縣（CNS ) M規格（21GX297公董) — -13- 經濟部智慧財/i^lg〈工消費合作钍印製 511087 A7 -____ _ B7 五、發明説明（彳彳） 由於此記憶體設計成一個或多個分離的記憶體細胞陣 列，實施平行拷貝操作的數目，相同於分離之記憶體陣列 的數目。 有時會檢測到一個或多個細胞中的資料並未反映原始 欲程式化的資料。此诗，最好利用外部電路來確認這些資 料的有效性。在一實施例中，使用冗餘資料，如E C C來 確認資料的有效性，此E C C資料與原始資料同時編程到 一組細胞中，當讀取這些細胞時便能藉由E C C來確認資 料的有效性。當偵測到錯誤時，亦可使用冗餘資訊來修正 錯誤資料。圖5的實施例允許將資料傳送到記體外部的電 路，來進行資料確認。此應用可在未修改原始檢測資料暫 存器內容的情況下，進行傳送操作。並且，可在進行程式 化操作的同時，允許傳送及確認操作。 由於有多個分離的記憶體細胞陣列，且實施程式化操 作的時間較實施程式化及確認操作的時間爲長，因此可在 多個傳送及確認操作的同時，實施多個程式化操作。此時 ，可在不影響效能的情況下，確保在拷貝操作中，程式化 資料的有效性，進而增進系統的可靠度。 此說明書所述的所有公開內容均供作參考之用。 至此，已對本發明作完整的描述，熟悉相關技術之人 應知在不偏離所附申請專利範圍之精神及前提的情況下， 可做出多種不同的改良。 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210X297公釐） 1._ί-------衣 ：1T· ^~ AWI (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -14-

Claims (1)

1. 511087 A8 B8 C8 ____ D8 六、申請專利範圍 1 · 一種非依電性記憶體系統，包括： 非依電性記憶體細胞； (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 第一暫存器； 第二暫存器； 控制器電路，用以從該陣列讀取資料，將讀取的資料 儲存至該第一及第二暫存器，且同時以該第一暫存器的資 料程式化一個或多個該陣列位置，並檢查該第二暫存器內 的資料有效性。 2 ·如申請專利範圍第1項的系統，其中當進行該程 式化的操作時，該控制器使儲存於該第二暫存器內的資料 讀出該記憶體系統。 3 ·如申請專利範圍第1項的系統，其中該記憶體細 胞包括快取記憶體細胞。 ' 4 ·如申請專利範圍第1項的系統，其中進一步包括 E C C電路，用以檢查該第二暫存器中該資料的有效性。 5 ·如申請專利範圍第1項的系統，其中該第二暫存 器包括多個個別的元件，當進行程式化時，可對個別元件 取 讀 與 址 定 施 I貝 本紙張尺度逋用中國國家樣準（CNS ) A4規格（2〖0X297公釐） -15 -