TWI727424B - 半導體記憶裝置 - Google Patents

Abstract

提供能夠減低消耗電力，同時正確執行電源切斷運作的半導體記憶裝置。 本發明的快閃記憶體，包含：低電力電壓檢測電路，檢測供給電壓下降到一定電壓；高精度電壓檢測電路，檢測供給電壓下降到一定電壓；以及控制器，在內部電路為運作狀態時，選擇高精度電壓檢測電路，在內部電路為待機狀態時，選擇低電力電壓檢測電路，響應低電力電壓檢測電路或高精度電壓檢測電路的檢測結果，執行電源切斷運作。

Description

半導體記憶裝置

本發明是關於快閃記憶體等半導體記憶裝置，特別是關於電源切斷(Power Down)檢測。

NAND型快閃記憶體為了儲存讀取、編程、抹除等用途的電壓設定，或者使用者選項等的設定資訊，而使用了熔絲格(Fuse Cell)。熔絲格被設定為如記憶體陣列內無法由使用者存取的記憶區域。快閃記憶體在供電時，從熔絲格當中讀取設定資訊作為電源開啟(Power Up)運作，將設定資訊載入到內部暫存器。電源開啟運作結束後，控制器基於保持在內部暫存器當中的設定資訊控制各運作(專利文獻1)。 [先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]　日本專利第6494139號公報

[發明所欲解決的課題]

針對快閃記憶體供電時的電源開啟檢測運作，以及斷電時的電源切斷檢測運作，參照第1圖說明。第1圖表示從外部供給的電壓以及時間的關係。

電源開啟檢測部，例如，於供給3.0V的電壓的快閃記憶體，在該運作保證電壓為2.7V～3.3V時，檢測約2.2V的電源開啟電壓位準V_PU，作為供電時為了讓電源開啟運作開始的電壓。電源開啟檢測部最初使用精度比較不高的檢測電路，檢測供給電壓到達一定電壓，其次，使用精度比較高的檢測電路，檢測供給電壓到達電源開啟電壓位準V_PU。精度高的檢測電路，包含基準電壓產生電路，或用來比較基準電壓與供給電壓的比較電路。檢測到電源開啟電壓位準V_PU後，則執行電源開啟程序，內部電路將初始化(重設)，從記憶體陣列的熔絲格當中讀取的設定資訊，將設定於暫存器……等運作。之後，若供給電壓上昇到運作保證電壓，則開始正常的運作。

第2圖表示既有的電源切斷檢測部。電源切斷檢測部10檢測到供給電壓Vcc下降到電源切斷電壓位準V_PD後，則輸出重設訊號給中央處理器或邏輯電路等內部電路20。例如，外部的電力供給能力低，或出現比內部電路20的運作還大的峰值電流時，供給電壓Vcc下降到電源切斷電壓位準V_PD。內部電路20接收到來自於電源切斷檢測部10的重設訊號後，則執行電源切斷運作，停止內部電路20的電荷泵(Charge Pump)電路的運作，執行中央處理器或邏輯等的重設。

電源切斷電壓位準V_PD比電源開啟電壓位準V_PU還低(若不這樣的話，電源開啟運作之後將執行電源切斷運作，無法讓快閃記憶體運作)；另外，電源切斷電壓位準V_PD以及電源開啟電壓位準V_PU，都設定為比內部電路的CMOS(互補式金屬氧化物半導體)的運作電壓Vt(例如，PMOS(P型金屬氧化物半導體)的臨界值與NMOS(N型金屬氧化物半導體)的臨界值的合計)還大(若不這樣的話，就無法讓電源開啟運作或電源切斷運作正確執行)。

另外，在快閃記憶體為待命(Standby)狀態時，在該狀態下可容許消耗的消耗電流，依規格而定義。由於這樣的約制，電源切斷檢測部10的構成，不會超過待命狀態的容許消耗電流，且運作電流為最小。例如第3圖所示，電源切斷檢測部10使用電阻分壓以及反相器，由簡易的電路所構成，檢測到電源切斷電壓位準V_PD時，輸出H位準的檢測訊號Vdet。

由於電源切斷檢測部10不包含如電源開啟檢測部的基準電壓產生電路或比較電路，因此能夠減低消耗電力，但反過來說，檢測精度比電源開啟檢測部還差。因此，如第1圖所示，電源切斷檢測部10檢測範圍H2的變動(Variation)，比電源開啟檢測部檢測範圍H1的變動還大。

使用這樣的電源切斷檢測部10時，由於檢測範圍H2的變動很大，因此本質上始終存在無法正確檢測電源切斷電壓位準V_PD的問題。若快閃記憶體為待命狀態，即使電源切斷電壓位準V_PD的檢測範圍有些許的誤差，也沒有特別的影響；但如果內部電路在運作中的忙碌狀態下無法正確檢測電源切斷電壓位準V_PD，則很有可能對快閃記憶體引起嚴重的問題。例如，編程運作或抹除運作中，即使供給電壓下降到比電源切斷電壓位準V_PD還低，但電源切斷運作無法開始，則會因為錯誤的運作，導致高電壓施加在預料之外的電路，而使電路故障，或是資料在記憶單元中錯誤編程，而使原本的資料遭受破壞。

本發明的目的是解決這樣的既有課題，提供能夠減低消耗電力，同時正確執行電源切斷運作的半導體記憶裝置。 [用以解決課題的手段]

關於本發明的半導體記憶裝置，包含：第1檢測電路，檢測供給電壓下降到一定電壓；第2檢測電路，具有比該第1檢測電路還高的檢測精度，檢測該供給電壓下降到該一定電壓；選擇裝置，在內部電路為運作狀態時，選擇該第2檢測電路，在該內部電路為待機狀態時，選擇該第1檢測電路；以及執行裝置，響應該第1檢測電路或該第2檢測電路的檢測結果，執行電源切斷運作。 [發明效果]

根據本發明，使得在內部電路為運作狀態時，選擇第2檢測電路，在內部電路為待機狀態時，選擇第1檢測電路；響應所選擇的第1檢測電路或第2檢測電路的檢測結果，執行電源切斷運作，因此，能夠減低消耗電力，同時正確執行電源切斷運作。

其次，針對本發明的實施形態參照圖式詳細說明。本發明的半導體記憶裝置，較佳的態樣為NAND(反及)型或NOR(反或)型快閃記憶體、可變電阻式記憶體、以及磁阻式隨機存取記憶體等非揮發性記憶體。以下的說明當中，例示NAND型快閃記憶體。 [實施例]

關於本發明實施例的快閃記憶體的概略構成於第4圖表示。本實施例的快閃記憶體100，包含：記憶單元陣列110，以行列狀配置複數個記憶單元；輸入輸出緩衝120，連接外部輸入輸出端子I/O；位址暫存器130，從輸入輸出緩衝120接收位址資料；控制器140，從輸入輸出緩衝120接收指令資料等，並控制各部；字元線選擇電路150，從位址暫存器130接收行位址資訊Ax，解碼行位址資訊Ax，基於解碼結果執行區塊的選擇以及字元線的選擇等；頁緩衝/感測電路160，保持從字元線選擇電路150所選擇的頁當中讀取出的資料，同時保持應編程到所選擇的頁的輸入資料；列選擇電路170，從位址暫存器130接收列位址資訊Ay，解碼列位址資訊Ay，基於該解碼結果，選擇頁緩衝/感測電路160內的列位址的資料；內部電壓產生電路180，產生資料的讀取、編程、抹除等用途所必要的各種電壓(寫入電壓Vpgm、通過電壓Vpass、讀取通過電壓Vread、抹除電壓Vers等)；電源開啟檢測部190，在供電時監視由外部端子供給的供給電壓Vcc，檢測電源開啟電壓位準V_PU，輸出電源開啟檢測訊號PWRDET；以及電源切斷檢測部200，監視供給電壓Vcc，檢測電源切斷電壓位準V_PD，輸出電源切斷檢測訊號DET_H/DET_L。

記憶單元陣列110包含列方向配置的m個區塊BLK(0)、BLK(1)、……、BLK(m-1)。一個區塊中形成有複數個NAND串列，每個NAND串列為複數個記憶單元直列連接。NAND串列可以在基板表面上2維形成，也可以在基板表面上3維形成。另外，記憶單元可以為記憶1位元(2值資料)的單級單元型(SLC, Single Level Cell)，也可以為記憶多位元的多級單元型(MLC, Multi Level Cell)。1個NAND串列直列連接複數個記憶單元(例如64個)、位元線側選擇電晶體、以及源極線側選擇電晶體而構成。位元線側選擇電晶體的汲極，連接對應的1個位元線GBL；源極線側選擇電晶體的源極，連接共同的源極線SL。

讀取運作當中，對位元線施加一些正的電壓，對選擇字元線施加一些電壓(例如0V)，對非選擇字元線施加通過電壓Vpass(例如4.5V)，對選擇閘極線施加正的電壓(例如4.5V)，使NAND串列的位元線側選擇電晶體，以及源極線側選擇電晶體導通，對共同源極線施加0V。編程(寫入)運作當中，對選擇字元線施加高電壓的編程電壓Vpgm(15～20V)，對非選擇的字元線施加中間電位(例如10V)，使位元線側選擇電晶體導通，使源極線側選擇電晶體斷開，把「0」或「1」對應的電位提供給位元線。抹除運作當中，對區塊內的選擇字元線施加0V，對P井區施加高電壓(例如20V)，將浮閘的電子從基板拉出，藉此以區塊為單位抹除資料。

電源開啟檢測部190檢測到供電時提供給快閃記憶體100的供給電壓Vcc到達電源開啟電壓位準V_PU後，輸出電源開啟檢測訊號PWRDET給控制器140。控制器140包含如中央處理器或唯讀記憶體/隨機存取記憶體等，唯讀記憶體/隨機存取記憶體當中儲存執行電源開啟運作、電源切斷運作、讀取運作、編程運作、以及抹除運作等用途的命令或資料等程式。控制器140接收到電源開啟檢測訊號PWRDET後，響應電源開啟檢測訊號PWRDET，依照唯讀記憶體/隨機存取記憶體當中讀取出的程式執行電源開啟運作。電源開啟運作當中，執行包含控制器140在內的內部電路的重設，或記憶單元陣列110的熔絲格的讀取等。

電源切斷檢測部200檢測到供給電壓Vcc下降到電源切斷電壓位準V_PD後，相應快閃記憶體100的運作狀態，輸出電源切斷檢測訊號DET_L或DET_H給控制器140。控制器140接收到電源切斷檢測訊號DET_L/DET_H後，響應電源切斷檢測訊號DET_L/DET_H，依照唯讀記憶體/隨機存取記憶體當中讀取出的程式執行電源切斷運作。電源切斷運作當中，執行包含控制器140在內的內部電路的重設，或電荷泵電路的停止等。

第5圖表示本實施例的電源切斷檢測部200的內部構成。如同圖所示，電源切斷檢測部200包含：低電力電壓檢測電路210，高精度電壓檢測電路220，以及選擇器230。低電力電壓檢測電路210為比較簡易的電路，由更可以減低消耗電力的電路所構成，例如，如第3圖所示，由包含電阻與反相器之檢測電路10所構成。檢測電路10時常監控供給電壓Vcc，而檢測電路10的電阻大小，被選擇使得當檢測節點N已下降到電源切斷電壓位準V_PD時，檢測節點N的電壓變為反相器的臨界值以下。如此一來，低電力電壓檢測電路210檢測到供給電壓Vcc下降到電源切斷電壓位準V_PD後，輸出表示該檢測結果的H位準的檢測訊號DET_L給選擇器230(對應第3圖的檢測訊號Vdet)。

高精度電壓檢測電路220包含：基準電壓產生器222，產生基準電壓Vref；以及比較電路224，比較基準電壓產生器222產生的基準電壓Vref以及供給電壓Vcc。基準電壓Vref設定為電源切斷電壓位準V_PD，若供給電壓Vcc下降到電源切斷電壓位準V_PD以下，則比較電路224輸出表示該現象的H位準的檢測訊號DET_H給選擇器230。

基準電壓產生電路222並未特別限定其構成，例如，使用幾乎不依靠電源電壓的變動或運作溫度的能帶隙參考(BGR, Band Gap Reference)電路。第6圖表示一般的能帶隙參考電路。如同圖所示，能帶隙參考電路包含：第1電流路徑、第2電流路徑，位於電源電壓Vcc(iBGR)與GND之間；PMOS電晶體P1、電阻R1、雙極性電晶體Q1，於第1電流路徑直列連接；PMOS電晶體P2、電阻R2、R、雙極性電晶體Q2，於第2電流路徑直列連接；以及差動放大電路AMP，其反向輸入端子(-)連接電阻R1與電晶體Q1共同連接的節點VN，其非反向輸入端子(+)連接電阻R2與電阻R共同連接的節點VP，其輸出端子與電晶體P1、P2的閘極共同連接。差動放大電路AMP調整輸出電壓，使得電晶體Q1的順向電壓，等於電晶體Q2的順向電壓與電阻R產生的電壓相加後的電壓，並從輸出節點BGR輸出基準電壓Vref。

比較電路224並未特別限定其構成，例如，如第7圖所示，包含比較器CMP，用以比較由供給電壓Vcc產生的內部電壓VI以及基準電壓Vref。設基準電壓Vref等於電源切斷電壓位準V_PD。VI＞Vref時，比較器CMP輸出L位準的檢測訊號DET_H；Vref≧VI時，比較器CMP輸出H位準的檢測訊號DET_H。

基準電壓產生器222以及比較電路224，響應來自於控制器140的Enable(賦能)/Disable(失能)訊號運作或不運作。如後面所述，在快閃記憶體為忙碌狀態時，控制器140輸出Enable訊號用以使高精度電壓檢測電路220運作；在快閃記憶體為待命狀態時，控制器140輸出Disable訊號用以使高精度電壓檢測電路220不運作。

選擇器230接收來自於低電力電壓檢測電路210的檢測訊號DET_L，以及來自於高精度電壓檢測電路220的檢測訊號DET_H，基於來自控制器140的選擇訊號SEL選擇其中一個檢測訊號，輸出選擇的檢測訊號給控制器140。在忙碌狀態時，控制器140讓選擇器230選擇高精度電壓檢測電路220的檢測訊號DET_H；在待命狀態時，控制器140讓選擇器230選擇低電力電壓檢測電路210的檢測訊號DET_L。

其次，針對由控制器140的電源切斷檢測部200的控制進行說明。第8圖說明由控制器140的電源切斷檢測部200的控制內容的運作流程圖。控制器140判定快閃記憶體100是否為忙碌狀態(S100)。所謂的忙碌狀態，是快閃記憶體100的內部電路(包含控制器或周邊電路)正在運作的狀態，例如，接收來自於使用者的指令，基於該指令正在執行讀取運作、編程運作、或抹除運作等狀態。所謂的待命狀態，是內部電路本質上並沒有在運作的狀態，例如，能夠接收來自於使用者的指令的狀態。

控制器140判定為忙碌狀態時，輸出Enable訊號使得高精度電壓檢測電路220運作(S110)；並且根據選擇訊號SEL，使得選擇器230選擇高精度電壓檢測電路220的檢測訊號DET_H(S120)。意即，忙碌狀態當中，低電力電壓檢測電路210與高精度電壓檢測電路220雙方都在運作，高精度電壓檢測電路220的檢測訊號DET_H由選擇器230提供給控制器140。

另一方面，控制器140判定快閃記憶體並不是忙碌狀態時，意即，判定為待命狀態時，輸出Disable訊號使得高精度電壓檢測電路220不運作(S130)；並且根據選擇訊號SEL，使得選擇器230選擇低電力電壓檢測電路210的檢測訊號DET_L(S140)。意即，待命狀態當中，僅有低電力電壓檢測電路210會運作，低電力電壓檢測電路210的檢測訊號DET_L由選擇器230提供給控制器140。

第9圖表示根據本實施例在忙碌狀態時，電源切斷電壓位準V_PD的檢測範圍H3。如以上所記載，在忙碌狀態當中，由於使用高精度電壓檢測電路220檢測電源切斷電壓位準V_PD，因此檢測精度比使用低電力電壓檢測電路210時還高，能夠使檢測範圍H3的變動(Variation)變小。在忙碌狀態當中，內部電路正在運作，在這期間中正確檢測電源切斷電壓位準V_PD，藉此抑制如內部電路在比電源切斷電壓位準V_PD還低的電壓之下運作的情形，因此，能夠防止由於錯誤的運作而導致電路故障或資料破壞等情形。另一方面，在內部電路沒有運作的待命狀態當中，使得高精度電壓檢測電路220不運作，僅讓低電力電壓檢測電路210運作，藉此，能夠遵守待命狀態的容許消耗電力的約制。

此處，在電源開啟電壓位準V_PU的檢測時，對電源開啟檢測部190也要求高精度。因此，電源開啟檢測部190同樣也利用了高精度電壓檢測電路，且該高精度電壓檢測電路使用了基準電壓產生器或比較電路。從而，電源切斷檢測部200的高精度電壓檢測電路220，同樣也可以利用電源開啟檢測部190的高精度電壓檢測電路。在此情況下，電源開啟程序結束之後，高精度電壓檢測電路的檢測位準，就從電源開啟電壓位準V_PU變更為電源切斷電壓位準V_PD。

其次，針對本發明別的實施例進行說明。以上記載的實施例中，表示在忙碌狀態時使得高精度電壓檢測電路220運作之例，而本實施例中，響應忙碌狀態下更詳細的運作，而控制高精度電壓檢測電路220的運作。

第10圖表示快閃記憶體的讀取運作時各部的波形。控制器140響應從外部輸入的讀取指令或位址，而開始讀取運作。MODE表示那時候詳細的運作模式。例如，MODE「1h」表示啟動電荷泵電路的期間；「3h」表示開始全域位元線GBL的預充電的期間。BUSY表示控制器140執行讀取運作的期間。在電荷泵電路啟動的「1h」期間，由於對全域位元線GBL預充電的期間有產生峰值電流，因此供給電壓Vcc一時之間會下降。

先前的實施例當中，BUSY訊號為H位準時，控制器140使高精度電壓檢測電路220運作，並基於該檢測訊號DET_H實行電源切斷運作；而本實施例當中，在忙碌期間中，控制器140在執行MODE「1h」以及「3h」的特定運作時，使高精度電壓檢測電路220運作。藉由進行這樣的運作控制，能夠謀求消耗電力更加地減低。

以上記載的實施例中，控制器140判定忙碌狀態與否，使高精度電壓檢測電路運作，然而該忙碌狀態，例如，快閃記憶體具備輸出忙碌訊號或預備訊號的外部端子時，也可以響應忙碌訊號或預備訊號而判定忙碌狀態或預備狀態。另外，以上記載的實施例中，例示了NAND型快閃記憶體，然而本發明並不限於此，亦能應用於其他非揮發性記憶體的電源切斷檢測。

詳述了關於本發明較佳的實施形態，但本發明並非限定於特定的實施形態，在申請專利範圍所記載的發明要旨的範圍內，可進行各種的變形/變更。

10～電源切斷檢測部 20～內部電路 100～快閃記憶體 110～記憶單元陣列 120～輸入輸出緩衝 130～位址暫存器 140～控制器 150～字元線選擇電路 160～頁緩衝/感測電路 170～列選擇電路 180～內部電壓產生電路 190～電源開啟檢測部 200～電源切斷檢測部 210～低電力電壓檢測電路 220～高精度電壓檢測電路 222～基準電壓產生器 224～比較電路 230～選擇器 CMP～比較器 S100、S110、S120、S130、S140～步驟

第1圖說明快閃記憶體的電源開啟檢測運作以及電源切斷檢測運作的示意圖。 第2圖表示既有的電源切斷檢測部。 第3圖表示既有的電源切斷檢測部的構成例。 第4圖表示關於本發明實施例的快閃記憶體內部構成的方塊圖。 第5圖表示關於本發明實施例的電源切斷檢測部的構成。 第6圖表示關於本發明實施例的基準電壓產生電路的一例。 第7圖表示關於本發明實施例的高精度電壓檢測電路的一例。 第8圖說明關於本發明實施例的電源切斷檢測部的運作。 第9圖說明根據本發明實施例在忙碌狀態時的電源切斷檢測部的檢測範圍的變動。 第10圖說明關於本發明其他實施例的電源切斷檢測部的運作。

140～控制器 200～電源切斷檢測部 210～低電力電壓檢測電路 220～高精度電壓檢測電路 222～基準電壓產生器 224～比較電路 230～選擇器

Claims (10)

1. 一種半導體記憶裝置，包含： 第1檢測電路，檢測供給電壓下降到一定電壓； 第2檢測電路，具有比該第1檢測電路還高的檢測精度，檢測該供給電壓下降到該一定電壓； 選擇裝置，在內部電路為運作狀態時，選擇該第2檢測電路，在該內部電路為待機狀態時，選擇該第1檢測電路；以及 執行裝置，響應該第1檢測電路或該第2檢測電路的檢測結果，執行電源切斷運作。
2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體記憶裝置， 其中，該第2檢測電路，包含： 基準電壓產生電路，產生基準電壓；以及 比較電路，比較該基準電壓以及電源電壓； 其中，該第1檢測電路，不包含該基準電壓產生電路。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之半導體記憶裝置， 其中，該運作狀態，包含該內部電路運作是基於來自外部的指令的狀態； 其中，該待機狀態，包含可受理來自外部的指令的狀態。
4. 如申請專利範圍第1項所述之半導體記憶裝置， 其中，該運作狀態，為快閃記憶體的忙碌狀態； 其中，該待機狀態，為快閃記憶體的預備狀態。
5. 如申請專利範圍第4項所述之半導體記憶裝置， 其中，該忙碌狀態，是根據來自於外部端子所輸出的忙碌訊號而規定； 其中，該預備狀態，是根據來自於外部端子所輸出的預備訊號而規定。
6. 如申請專利範圍第1項所述之半導體記憶裝置， 其中，該選擇裝置，在該內部電路為運作狀態，且執行事先決定的特定運作時，選擇該第2檢測電路。
7. 如申請專利範圍第6項所述之半導體記憶裝置， 其中，該選擇裝置，響應有關控制器執行的該特定運作的命令碼，選擇該第2檢測電路。
8. 如申請專利範圍第6項或第7項所述之半導體記憶裝置， 其中，該特定運作，為電荷泵電路的運作。
9. 如申請專利範圍第6項或第7項所述之半導體記憶裝置， 其中，該特定運作，為執行記憶體陣列的選擇頁的讀取時的位元線的預充電運作。
10. 如申請專利範圍第1項所述之半導體記憶裝置， 其中，該第1檢測電路以及該第2檢測電路檢測的電壓位準，比電源開啟檢測電路檢測的電壓位準還低，且比互補式金屬氧化物半導體可運作的電壓位準還高。

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