TWI744134B - Data storage device and control method for data storage device - Google Patents
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Abstract
Description
本發明是有關於一種用於資料儲存裝置的資料存取技術,且特別是有關於一種資料儲存裝置與資料儲存裝置的控制方法。 The present invention relates to a data access technology for a data storage device, and more particularly to a data storage device and a control method of the data storage device.
目前消費性電子產品的發展大部分朝向無線通訊領域與車用電子領域發展,從而希望非揮發性記憶體能夠具備高讀寫速率以及高穩定性。詳細來說,由於無線傳輸技術的資料傳輸速率逐漸加快,因此也希望電子設備中的非揮發性記憶體裝置朝向大容量、且具備快速操作速度(又稱,讀寫速度)邁進。並且,在車用電子蓬勃發展下,非揮發性記憶體裝置的高穩定度與穩定的反應速度(亦即,資料讀取速度)也是十分重要的一環。 At present, most of the development of consumer electronic products is toward the field of wireless communication and automotive electronics, so it is hoped that non-volatile memory can have high reading and writing speed and high stability. In detail, as the data transmission rate of wireless transmission technology is gradually increasing, it is also hoped that non-volatile memory devices in electronic equipment will move towards large capacity and fast operation speed (also known as read and write speed). Moreover, under the booming development of automotive electronics, high stability and stable response speed (ie, data reading speed) of non-volatile memory devices are also very important.
非揮發性記憶體中的NAND快閃記憶體技術已發展出利用單個快閃記憶體胞元儲存兩個或兩個以上位元的技術。也就是說,NAND快閃記憶體的類別包括多級胞元(Multi-Level Cells;MLC)、三級胞元(Triple-Level Cells;TLC)甚至四級胞元(Quad-Level Cells;QLC)...等,從而擁有更大容量的資料密度。 NAND flash memory technology in non-volatile memory has developed a technology that uses a single flash memory cell to store two or more bits. In other words, the categories of NAND flash memory include Multi-Level Cells (MLC), Triple-Level Cells (TLC) and even Quad-Level Cells (QLC). ...And so on, so as to have a greater data density.
然而,由於每個記憶體胞元中儲存有多個位元,且在對儲存有多個位元的記憶體胞元進行讀取操作時,將需要更多的讀取時間來判斷這個記憶體胞元的電壓準位為何。例如,在進行MLC的讀取操作時,需要對MLC讀取兩次以判斷其電位;在進行TLC的讀取操作時,需要對TLC讀取三次以判斷其電位為何,並依此類推。如此一來,將會大幅增加對於記憶體胞元的讀取時間。另一方面,由於前述讀取操作中對於記憶體胞元的讀取次數將依照記憶體胞元中儲存的位元數量而對應增加,導致增加了讀取操作的功率消耗、並降低了每個記憶體胞元的使用壽命。 However, because there are multiple bits stored in each memory cell, and when a memory cell that stores multiple bits is read, it will take more reading time to determine this memory. What is the voltage level of the cell? For example, when performing an MLC reading operation, it is necessary to read the MLC twice to determine its potential; when performing a TLC reading operation, it is necessary to read the TLC three times to determine its potential, and so on. As a result, the read time for memory cells will be greatly increased. On the other hand, since the number of reads to the memory cell in the aforementioned read operation will increase in accordance with the number of bits stored in the memory cell, it will increase the power consumption of the read operation and reduce each The service life of the memory cell.
本發明提供一種資料儲存裝置以及其控制方法,透過以電流偵測方式感測與判定可儲存多個位元的記憶體胞元中的資料,減少在讀取操作時對多級胞元的讀取次數,提高記憶體胞元的使用壽命與可靠度。 The present invention provides a data storage device and a control method thereof. By sensing and judging data in a memory cell capable of storing multiple bits in a current detection mode, the reading of multi-level cells during a read operation is reduced. The frequency of fetching improves the service life and reliability of the memory cell.
本發明的資料儲存裝置包括記憶體陣列以及讀取裝置。記憶體陣列包括至少一個記憶體胞元以及總體位元線,每個記憶體胞元儲存多個位元且選擇性地連接至該總體位元線。讀取裝置的輸入端耦接該總體位元線。讀取裝置包括多個阻抗元件、多個鎖存電路以及鎖存讀取電路。每個阻抗元件的第一端相互耦接至該讀取裝置的該輸入端。每個鎖存電路的輸入端分別耦接對應的每個阻抗元件的第二端。鎖存讀取電路耦接該些鎖存電路的輸出 端。鎖存讀取電路讀取該些鎖存電路中各自的鎖存位元。該至少一記憶體胞元所儲存的資料由該鎖存讀取電路所讀取的該些鎖存電路中的該些鎖存位元來判定。 The data storage device of the present invention includes a memory array and a reading device. The memory array includes at least one memory cell and an overall bit line, and each memory cell stores a plurality of bits and is selectively connected to the overall bit line. The input terminal of the reading device is coupled to the overall bit line. The reading device includes a plurality of impedance elements, a plurality of latch circuits, and a latch read circuit. The first end of each impedance element is mutually coupled to the input end of the reading device. The input terminal of each latch circuit is respectively coupled to the second terminal of each corresponding impedance element. The latch reading circuit is coupled to the outputs of the latch circuits end. The latch reading circuit reads the respective latch bits in the latch circuits. The data stored in the at least one memory cell is determined by the latch bits in the latch circuits read by the latch read circuit.
本發明的資料儲存裝置的控制方法適用於包括記憶體陣列的資料儲存裝置。憶體陣列包括至少一記憶體胞元以及總體位元線,每個記憶體胞元儲存多個位元。控制方法包括下列步驟:在讀取操作的讀取充電時間時,將被選擇的該至少一記憶體胞元的輸出端耦接該總體位元線,其中讀取裝置的輸入端經設置以耦接該總體位元線,該讀取裝置包括多個阻抗元件以及多個鎖存電路,每個阻抗元件的第一端相互耦接至該讀取裝置的該輸入端,每個鎖存電路的輸入端分別耦接對應的每個阻抗元件的第二端,每個鎖存電路分別具備對應的臨界電壓;在該讀取充電時間之後,讀取該些鎖存電路中各自的鎖存位元;以及,依據所讀取的該些鎖存電路中的該些鎖存位元來判定該至少一記憶體胞元所儲存的資料。 The control method of the data storage device of the present invention is suitable for a data storage device including a memory array. The memory array includes at least one memory cell and an overall bit line, and each memory cell stores multiple bits. The control method includes the following steps: during the reading charging time of the reading operation, the output terminal of the selected at least one memory cell is coupled to the overall bit line, wherein the input terminal of the reading device is configured to be coupled Connected to the overall bit line, the reading device includes a plurality of impedance elements and a plurality of latch circuits, the first end of each impedance element is mutually coupled to the input end of the reading device, and the The input terminal is respectively coupled to the second terminal of each corresponding impedance element, and each latch circuit has a corresponding threshold voltage; after the charging time is read, the respective latch bits in the latch circuits are read ; And, determine the data stored in the at least one memory cell according to the read latch bits in the latch circuits.
基於上述,本發明實施例所述的資料儲存裝置以及其控制方法透過調整讀取裝置中的電路架構,從原本以二分法多次地讀取記憶體胞元的臨界電壓與預設電壓相互比對,改為本實施例中以電流偵測方式一次性地感測與判定記憶體胞元中的資料。也就是說,本發明實施例透過調整讀取裝置中各個阻抗元件的阻抗值和/或鎖存電路的臨界電壓,使對應的鎖存電路在讀取操作的讀取充電時間內透過流經對應的阻抗元件的電流而充電,進而調整 其內部的鎖存位元。藉此,本發明實施例可減少在讀取操作時對多級胞元的讀取次數,提高記憶體胞元的使用壽命與可靠度。 Based on the above, the data storage device and its control method according to the embodiments of the present invention adjust the circuit structure of the reading device to read the threshold voltage of the memory cell multiple times from the original dichotomy compared with the preset voltage. Yes, instead, in this embodiment, the current detection method is used to sense and determine the data in the memory cell at one time. That is to say, the embodiment of the present invention adjusts the impedance value of each impedance element in the reading device and/or the threshold voltage of the latch circuit, so that the corresponding latch circuit flows through the corresponding Of the impedance element’s current while charging, and then adjusting The internal latch bit. In this way, the embodiment of the present invention can reduce the number of times to read multi-level cells during a read operation, and improve the service life and reliability of memory cells.
100:資料儲存裝置 100: Data storage device
110:記憶體陣列 110: memory array
112、112-1~112-4:記憶體胞元 112, 112-1~112-4: Memory cell
120:讀取裝置 120: Reading device
131~133:阻抗單元 131~133: Impedance unit
141~143、410、510:鎖存電路 141~143, 410, 510: latch circuit
150:鎖存讀取電路 150: latch read circuit
311~314:狀態分布區域 311~314: State distribution area
520、530、INV1~INV4:反相器 520, 530, INV1~INV4: inverter
800:資料儲存裝置的控制方法 800: Control method of data storage device
S810~S830:資料儲存裝置的控制方法的各步驟 S810~S830: Steps of the control method of the data storage device
SL:選擇線 SL: select line
Sgs:源極端選擇閘極 Sgs: Source selection gate
Sgd:汲極端選擇閘極 Sgd: Drain extreme selection gate
BL0~BL2:位元線 BL0~BL2: bit line
WL0~WLM:字元線 WL0~WLM: character line
R1~R3:阻抗單元的阻抗值 R1~R3: Impedance value of impedance unit
I1~I3:電流 I1~I3: current
P1~P3:路徑 P1~P3: path
PIN:讀取裝置的輸入端 PIN: the input terminal of the reading device
GBL:全域位元線 GBL: Global bit line
TI2~TI4:加總電流 TI2~TI4: total current
PST:程式化狀態 PST: stylized state
EST:抹除狀態 EST: Erase status
NUM:記憶體胞元在各個狀態的數量 NUM: the number of memory cells in each state
d:狀態分布區域之間的相鄰距離 d: Adjacent distance between state distribution areas
RWL1~RWL3:讀取信號 RWL1~RWL3: Read signal
RBL:讀取位元線 RBL: read bit line
T1~T3、T11~T13、T21~T23:電晶體 T1~T3, T11~T13, T21~T23: Transistor
READ:讀取信號 READ: read signal
RESET:重置信號 RESET: reset signal
INN:鎖存電路的輸入端 INN: The input terminal of the latch circuit
OUTN:鎖存電路的輸出端 OUTN: The output terminal of the latch circuit
In11、In21:反及閘的第一輸入端 In11, In21: the first input terminal of reverse and gate
In12、In22:反及閘的第二輸入端 In12, In22: the second input terminal of reverse and gate
Out1、Out2:反及閘的輸出端 Out1, Out2: output terminal of reverse and gate
圖1是依照本實施例一實施例的資料儲存裝置的示意圖。 FIG. 1 is a schematic diagram of a data storage device according to an embodiment of the present embodiment.
圖2是本實施例一實施例中,在記憶體胞元是多級胞元(MLC)的情況下,記憶體胞元所儲存的資料與鎖存電路在經歷讀取充電時間後各自的鎖存位元的示意圖。 2 is an embodiment of the present embodiment, in the case that the memory cell is a multi-level cell (MLC), the data stored in the memory cell and the latch circuit are locked after reading and charging time. Schematic diagram of bit storage.
圖3是本實施例一實施例中,以多級胞元作為記憶體胞元的情況下,記憶體胞元所儲存的資料與記憶體胞元的臨界電壓分布圖之間的關係示意圖。 3 is a schematic diagram of the relationship between the data stored in the memory cell and the threshold voltage distribution diagram of the memory cell in the case of using multi-level cells as the memory cell in an embodiment of the present embodiment.
圖4是圖1或圖2中鎖存電路的一種範例電路圖。 FIG. 4 is an example circuit diagram of the latch circuit in FIG. 1 or FIG. 2.
圖5是圖1或圖2中鎖存電路的另一種範例電路圖。 FIG. 5 is another example circuit diagram of the latch circuit in FIG. 1 or FIG. 2. FIG.
圖6是圖1中鎖存讀取電路的範例電路圖。 FIG. 6 is an example circuit diagram of the latch reading circuit in FIG. 1. FIG.
圖7是本實施例一實施例中資料儲存裝置以立體積體電路(3DIC)來實現的示意圖。 FIG. 7 is a schematic diagram of a data storage device implemented by a volumetric volume circuit (3DIC) in an embodiment of this embodiment.
圖8是本實施例一實施例中資料儲存裝置的控制方法的流程圖。 FIG. 8 is a flowchart of a control method of a data storage device in an embodiment of this embodiment.
圖1是依照本實施例一實施例的資料儲存裝置100的示
意圖。資料儲存裝置100可以是用於消費型電子裝置的記憶體裝置,例如NAND型或NOR型快閃記憶體裝置。
FIG. 1 is a diagram of a
請參照圖1,資料儲存裝置100包括記憶體陣列110以及讀取裝置120。記憶體陣列110包括至少一個記憶體胞元以及全域位元線GBL。本實施例的記憶體胞元透過矩陣形式排列,並且具備位元線BL0~BL2以及字元線WL0~WLM。這些記憶體胞元選擇性地連接至全域位元線GBL。在進行相應的操作(如,讀取操作)時,資料儲存裝置100中的控制器可透過控制選擇線SL、源極端選擇閘極Sgs、汲極端選擇閘極Sgd以及字元線WL0~WLM以選擇這些記憶體胞元的其中一個(例如,被選擇的記憶體胞元112),並將被選擇的記憶體胞元112的輸出端透過位元線(如,位元線BL1)耦接全域位元線GBL。藉此,耦接至全域位元線GBL的讀取裝置120能夠依據此全域位元線GBL的電壓來判定記憶體胞元112所儲存的資料為何。
Please refer to FIG. 1, the
本實施例中,每個記憶體胞元儲存多個位元。也就是說,本實施例的每個記憶體胞元中所儲存的位元的數量為N,N為大於等於2的正整數。換句話說,本實施例的記憶體胞元可以是多級胞元(Multi-Level Cells;MLC)(N等於2)、三級胞元(Triple-Level Cells;TLC)(N等於3)或是四級胞元(Quad-Level Cells;QLC)(N等於4)。本實施例以多級胞元作為記憶體胞元的範例,也就是,本實施例記憶體陣列110中各個記憶體胞元可儲存兩個位元的資料。
In this embodiment, each memory cell stores multiple bits. In other words, the number of bits stored in each memory cell in this embodiment is N, and N is a positive integer greater than or equal to 2. In other words, the memory cells of this embodiment can be multi-level cells (Multi-Level Cells; MLC) (N is equal to 2), three-level cells (Triple-Level Cells; TLC) (N is equal to 3), or It is Quad-Level Cells (QLC) (N equals 4). In this embodiment, a multi-level cell is used as an example of a memory cell. That is, each memory cell in the
讀取裝置120的輸入端耦接全域位元線GBL。讀取裝置120主要包括多個阻抗元件(如,圖1中的阻抗元件131~133)、多個鎖存電路(如,圖1中的鎖存電路141~143)以及鎖存讀取電路150。本實施例的阻抗元件131~133可由電阻實現。阻抗元件131~133的第一端相互耦接至讀取裝置120的輸入端PIN。每個鎖存電路141~143的輸入端分別耦接對應的每個阻抗元件131~133的第二端。例如,鎖存電路141的輸入端耦接阻抗元件131的第二端、鎖存電路142的輸入端耦接阻抗元件132的第二端且鎖存電路143的輸入端耦接阻抗元件133的第二端。鎖存讀取電路150耦接鎖存電路141~143的輸出端。
The input end of the
藉此,本發明實施例調整讀取裝置120中的電路架構,從原本以二分法多次地讀取記憶體胞元的臨界電壓與預設電壓相互比對,改為本實施例中單次讀取記憶體胞元的電壓且透過電流偵測的方式一次性地感測與判定胞元中的資料。詳細來說,本實施例透過調整每個路徑P1~P3上各個阻抗元件131~133的阻抗值、各個鎖存電路141~143的臨界電壓、或同時調整前述兩者,從而使鎖存電路141~143在讀取操作的讀取充電時間內透過流經對應的每個阻抗元件131~133的電流而充電,且每個鎖存電路141~143中各自的鎖存位元會依據在前述讀取充電時間內所充電的充電電壓以及對應的臨界電壓而被調整其數值。藉此,本實施例的鎖存讀取電路150便在前述讀取充電時間後讀取鎖存電路141~143中各自的鎖存位元。如此一來,被選擇的記憶體胞元112所儲存的
資料由鎖存讀取電路150所讀取的鎖存電路141~143中的鎖存位元來判定。
In this way, the embodiment of the present invention adjusts the circuit structure of the
在此針對『調整每個路徑P1~P3上各個阻抗元件131~133的阻抗值、各個鎖存電路141~143的臨界電壓、或同時調整前述兩者』詳細描述。符合本實施例的一種作法(又稱,第一作法)是經設計以調整每個路徑P1~P3上各個阻抗元件131~133的阻抗值R1~R3各不相同、且讓鎖存電路141~143的臨界電壓為相同來實現。由於位在全域位元線GBL上的電壓相同,導致路徑P1~P3上的電流I1~I3將因為阻抗元件131~133中互不相同的阻抗值R1~R3而有流經各個阻抗元件131~133且互不相同的電流值。藉此,基於電流I1~I3的電流值互為不同且鎖存電路141~143皆具備相同的讀取充電時間,鎖存電路141~143因充電所提升的充電電壓不一定會高於鎖存電路141~143自身所設計的臨界電壓。換句話說,鎖存電路141~143中的這些鎖存位元將會因為全域位元線GBL上的電壓而有不同的呈現方式,從而判定記憶體胞元112中所儲存的資料為何。
Here is a detailed description of “adjusting the impedance value of each
符合本實施例的另一種作法(又稱,第二作法)則是經設計以調整每個路徑P1~P3上鎖存電路141~143的臨界電壓互為不同、且讓各個阻抗元件131~133的阻抗值R1~R3為相同數值來實現。由於位在全域位元線GBL上的電壓相同,基於電流I1~I3的電流值互為相同、但鎖存電路141~143自身所設計的臨界電壓互為不同的情況下,不同的鎖存電路141~143所需的充電時間便
不相同。因此,在基於相同的讀取充電時間的情況下,每個鎖存電路141~143因充電所提升的充電電壓不一定會皆高於鎖存電路141~143自身所設計的臨界電壓。換句話說,鎖存電路141~143中的這些鎖存位元將會因為全域位元線GBL上的電壓而有不同的呈現方式,從而判定記憶體胞元112中所儲存的資料為何。
Another method (also known as the second method) that conforms to this embodiment is designed to adjust the threshold voltages of the
圖2是本實施例一實施例中,在記憶體胞元112是MLC的情況下,記憶體胞元112所儲存的資料與鎖存電路在經歷讀取充電時間後各自的鎖存位元的示意圖。在此以前述第一作法結合圖2來說明本發明實施例。在此假設,阻抗元件131中阻抗值R1大於阻抗元件132中阻抗值R2,且阻抗元件132中阻抗值R2大於阻抗元件133中阻抗值R3。因此,流經阻抗元件131的電流I1將會小於流經阻抗元件132的電流I2,且流經阻抗元件132的電流I2將會小於流經阻抗元件133的電流I3。由於記憶體胞元112是MLC,因此記憶體胞元112可儲存兩個位元的資料,也就是,可儲存四種狀態(即,”00”、”10”、”01”或是”11”)的資料。
2 is an example of this embodiment, in the case that the
圖2中(A)至(D)部分的鎖存電路141~143中有標註對應的鎖存位元。鎖存位元為”0”時,表示此鎖存電路在讀取充電時間中所儲存的充電電壓並未大於此鎖存電路預設的臨界電壓;鎖存位元為”1”時,表示此鎖存電路在讀取充電時間中所儲存的充電電壓已大於此鎖存電路預設的臨界電壓。
The
圖2左上方(A)部分用以表示,記憶體胞元112以電壓型態儲存狀態為”00”的資料,且在讀取充電時間中鎖存電路
141~143中的鎖存位元依序表示為”0”、”0”、”0”。本實施例將儲存”00”狀態的記憶體胞元112的輸出電壓設定為相對於其他狀態為最小(minimum)的輸出電壓,意即,於(A)部分表示”00”狀態的加總電流TI1將小於(B)部分至(D)部分中分別表示”10”、”01與”11”狀態的加總電流TI2~TI4。由於加總電流TI1還會分流以成為流經路徑P1~P3的電流I1~I3,因此各個鎖存電路141~143在讀取充電時間中所儲存的充電電壓並未大於此鎖存電路預設的臨界電壓,導致每個鎖存電路141~143的鎖存位元為”0”。藉此,本實施例的鎖存讀取電路150在讀取到鎖存電路141~143中的鎖存位元為”0”、”0”、”0”時,便判定記憶體胞元112儲存有”00”狀態的的資料。
The upper left part (A) of FIG. 2 is used to show that the
圖2右上方(B)部分用以表示,記憶體胞元112儲存資料”10”,且在讀取充電時間中鎖存電路141~143中的鎖存位元依序表示為”0”、”0”、”1”。本實施例將儲存”10”狀態的記憶體胞元112的輸出電壓設定為比”00”狀態的記憶體胞元112的輸出電壓為大,但比”01”、”11”狀態的記憶體胞元112的輸出電壓為小。意即,(B)部分表示”10”狀態的加總電流TI2將大於(A)部分的加總電流TI1,但小於(C)部分的加總電流TI3以及(D)部分的加總電流TI4。如此一來,(B)部分中經分流的電流I3將會較電流I1~I2為大,從而更易於使鎖存電路143在讀取充電時間中的充電電壓大於其臨界電壓。本實施例可設計以使鎖存電路143在讀取充電時間中所儲存的充電電壓將大於此鎖存電路143預設的臨界
電壓(即,鎖存電路143的鎖存位元為”1”),但鎖存電路141~142在相同的讀取充電時間中所儲存的充電電壓將小於此鎖存電路141~142預設的臨界電壓(即,鎖存電路141~142的鎖存位元為”0”)。藉此,本實施例的鎖存讀取電路150在讀取到鎖存電路141~143中的鎖存位元為”0”、”0”、”1”時,便判定記憶體胞元112儲存有”10”狀態的的資料。
The upper right part (B) of FIG. 2 is used to show that the
圖2左下方(C)部分用以表示,記憶體胞元112儲存資料”01”,且在讀取充電時間中鎖存電路141~143中的鎖存位元依序表示為”0”、”1”、”1”。本實施例將儲存”01”狀態的記憶體胞元112的輸出電壓設定為比”00”、”10”狀態的記憶體胞元112的輸出電壓為大,但比”11”狀態的記憶體胞元112的輸出電壓為小。意即,(C)部分表示”10”狀態的加總電流TI3將大於(A)部分的加總電流TI1以及(B)部分的加總電流TI2,但小於(D)部分的加總電流TI4。如此一來,(C)部分中經分流的電流I3與電流I2將會較(A)部分與(B)部分中的電流I3與電流I2為大,從而更易於使鎖存電路142~143在讀取充電時間中的充電電壓大於其臨界電壓。本實施例可設計以使鎖存電路142~143在讀取充電時間中所儲存的充電電壓將大於此鎖存電路142~143預設的臨界電壓(即,鎖存電路142~143的鎖存位元為”1”),但鎖存電路141在相同的讀取充電時間中所儲存的充電電壓將小於此鎖存電路141預設的臨界電壓(即,鎖存電路141的鎖存位元為”0”)。藉此,本實施例的鎖存讀取電路150在讀取到鎖存電路141~143中的鎖
存位元為”0”、”1”、”1”時,便判定記憶體胞元112儲存有”01”狀態的的資料。
The lower left part (C) of FIG. 2 is used to show that the
圖2右下方(D)部分用以表示,記憶體胞元112儲存資料”01”,且在讀取充電時間中鎖存電路141~143中的鎖存位元依序表示為”1”、”1”、”1”。本實施例將儲存”11”狀態的記憶體胞元112的輸出電壓設定為相對於其他狀態為最大(maximum)的輸出電壓,意即,於(D)部分表示”11”狀態的加總電流TI4將大於(A)部分至(C)部分中分別表示”00”、”10”與”01”狀態的加總電流TI1~TI3。由於加總電流TI4還會分流以成為流經路徑P1~P3的電流I1~I3,因此各個鎖存電路141~143在讀取充電時間中所儲存的充電電壓將會大於鎖存電路141~143預設的臨界電壓,使每個鎖存電路141~143的鎖存位元皆為”1”。藉此,本實施例的鎖存讀取電路150在讀取到鎖存電路141~143中的鎖存位元為”1”、”1”、”1”時,便判定記憶體胞元112儲存有”11”狀態的的資料。
The lower right part (D) of FIG. 2 is used to show that the
應用本實施例者可依前述需求來設定阻抗單元131~133各自的阻抗值R1~R3。本實施例透過以下範例解釋,如何將前述阻抗值R1~R3輕易推導得出。在此假設,讀取充電時間表示為T;當圖2(B)中加總電流T12設定為10微安培(μA)時,圖2(B)中電流I3則可計算其為μA,並且鎖存電路143在讀取充電時間T後的鎖存位元為”1”;當圖2(D)中加總電流TI4設定為100μA時,圖2(D)中電流I1則可計算其為(100μA×μA,且鎖存電路141在讀取充電時間T後的鎖存位元
為”1”。如此一來,基於鎖存電路141與143具有相同的臨界電壓的情況下,圖2(B)中電流I3在讀取充電時間T中所累積出來的充電電壓將會超過鎖存電路143的臨界電壓,且圖2(D)中電流I1在讀取充電時間T中所累積出來的充電電壓將會超過鎖存電路141的臨界電壓。因此,可藉由下述方程式(1)約略計算出讀取充電時間T的數值:
如此一來,將可透過前述運算方式來得知讀取充電時間T與阻抗值R1~R3之間的對應關係。 In this way, the corresponding relationship between the read charging time T and the impedance values R1~R3 can be known through the aforementioned calculation method.
另一方面,應用本實施例者亦可將阻抗元件131~133中的阻抗值R1~R3設計為相同數值,且鎖存電路141~143中對應的臨界電壓經設計而互為不同。藉此,只要鎖存電路141~143可在讀取充電時間T中透過相對應的電流而產生相對應的鎖存位元的狀態,亦可實現本發明實施例。
On the other hand, those applying this embodiment can also design the impedance values R1 to R3 in the
圖2中的實施例是以多級胞元(MLC)作為記憶體胞元的實施例,也就是,記憶體胞元中所儲存的位元的數量為2。因此,讀取電路120中鎖存電路141~143的數量等於3(2的2次方減1),且阻抗元件131~133的數量也等於鎖存電路141~143的數量。若是以三級胞元(TLC)作為記憶體胞元的實施例,也就是,記憶體胞元中所儲存的位元的數量為3。因此,此實施例的讀取電路中鎖存電路的數量為7(2的3次方減1),且阻抗元件的數量等於鎖存電路的數量。若是以四級胞元(QLC)作為記憶體胞元的實施例,
也就是,記憶體胞元中所儲存的位元的數量為4。因此,此實施例的讀取電路中鎖存電路的數量為15(2的4次方減1),且阻抗元件的數量等於鎖存電路的數量。依此類推,當符合本發明實施例中記憶體胞元所儲存的位元數量為N(N為大於等於2的正整數)時,鎖存電路的數量等同於阻抗元件的數量,皆為2的N次方減1。
The embodiment in FIG. 2 is an embodiment in which a multi-level cell (MLC) is used as a memory cell, that is, the number of bits stored in the memory cell is two. Therefore, the number of
圖3是本實施例一實施例中,以多級胞元作為記憶體胞元112的情況下,記憶體胞元112所儲存的資料與記憶體胞元112的臨界電壓分布圖之間的關係示意圖。圖3的上方部分由右至左分別是”00”狀態(標示為(A))、”10”狀態(標示為(B))、”01”狀態(標示為(C))與”11”狀態(標示為(D))的記憶體胞元112-1~112-4。圖3的中間部分用以表示每個狀態的記憶體胞元流經的電流的示意圖。圖3的下方部分呈現記憶體胞元112-1~112-4的臨界電壓分布圖。圖3的臨界電壓分布圖的橫軸呈現記憶體胞元在各個狀態的輸出電壓。圖3的臨界電壓分布圖的縱軸呈現記憶體胞元在各個狀態的數量NUM。也就是說,圖3的臨界電壓分布圖用以呈現記憶體胞元的臨界電壓分布於狀態分布區域311~314中。狀態分布區域311~314分別對應”00”狀態(A)、”10”狀態(B)、”01”狀態(C)與”11”狀態(D)的記憶體胞元112-1~112-4。
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the data stored in the
本實施例是透過電流偵測的方式來一次性地感測與判定記憶體胞元112中的資料為何種狀態,而不是如以往般採用電壓
偵測的方式進行。以往採用電壓偵測的方式僅能在臨界電壓分布圖的抹除狀態中放入單個狀態分布區域,其他的狀態分布區域皆需放在臨界電壓分布圖的程式化狀態中。因此,由於程式化狀態中相鄰的狀態分布區域十分接近,導致採用前述電壓偵測的方式進行讀取操作時仍有較高機率發生誤判。
In this embodiment, the current detection method is used to sense and determine the state of the data in the
本實施例在讀取操作的讀取驗證判定(read verify judge)上是不需要採用以往的負電壓(negative voltage)型式來驗證記憶體胞元112中的資料,從而可在圖3中MLC類型的記憶體胞元的臨界電壓分布圖中平均配置相等數量的狀態分布區域311~314於程式化狀態(program state)PST以及抹除狀態(erase state)EST。在圖3記憶體胞元112-1~112-4的臨界電壓分布圖中,程式化狀態PST中狀態分布區域311~312的數量(亦即,2)等於抹除狀態EST中的狀態分布區域313~314的數量(亦即,2)。也就是說,本實施例在臨界電壓分布圖的抹除狀態EST中可以包括兩個甚至兩個以上的狀態分布區域(如,狀態分布區域313~314)。如此一來,本實施例圖3中狀態分布區域313~314之間的相鄰距離d較以往採用電壓偵測的方式來的長,且抹除狀態EST中的狀態分布區域的數量也可增加,擺脫電壓偵測方法在抹除狀態EST內只能具備單個狀態分布區域的問題。
In this embodiment, the read verify judge of the read operation does not need to use the previous negative voltage (negative voltage) type to verify the data in the
圖4是圖1或圖2中鎖存電路141~143的一種範例電路圖。在此以圖4的鎖存電路410作為圖1或圖2中鎖存電路141~143的範例電路。鎖存電路410為SR鎖存器(SR latch)。詳細來說,
鎖存電路410主要包括兩個反及(NAND)閘420與430、輸入端INN與輸出端OUTN。鎖存電路410的輸入端INN用以耦接圖1、圖2中對應的阻抗單元131~133其中之一。鎖存電路410的輸出端OUTN耦接圖1中讀取電路120的鎖存讀取電路150。反及閘420的第一輸入端In11耦接鎖存電路410的輸入端INN,反及閘420的第二輸入端In12耦接反及閘430的輸出端Out2,且反及閘420的輸出端Out1耦接鎖存電路410的輸出端OUTN。反及閘430的第一輸入端In21耦接反及閘420的輸出端Out1,反及閘430的第二輸入端In22耦接鎖存電路410的輸入端INN。換句話說,鎖存電路410可透過由NAND閘組成的靜態隨機存取記憶體(SRAM)胞元來實現。藉此,在讀取充電時間T中透過鎖存電路410的輸入端INN提供的電流所累積的充電電壓足以推動反及閘420與430而使反及閘420的輸出端Out1上的電壓值高於臨界電壓的話,便可視為鎖存電路410中的鎖存位元為”1”。相對地,在讀取充電時間T中透過鎖存電路410的輸入端INN提供的電流所累積的充電電壓不足以推動反及閘420與430而使反及閘420的輸出端Out1上的電壓值高於臨界電壓的話,便可視為鎖存電路410中的鎖存位元為”0”。
FIG. 4 is an example circuit diagram of the
圖5是圖1或圖2中鎖存電路141~143的另一種範例電路圖。在此以圖5的鎖存電路510作為圖1或圖2中鎖存電路141~143的範例電路。鎖存電路510主要是由兩個反相器520與530結合多個電晶體(如,電晶體T1~T3)的控制來實現。反相器
520的輸入端以及反相器530的輸出端透過電晶體耦接鎖存電路510的輸入端INN。反相器520的輸出端以及反相器530的輸入端則同時耦接至鎖存電路510的輸出端OUTN。換句話說,鎖存電路510可透過由反相器與多個電晶體組成的靜態隨機存取記憶體胞元來實現。例如,可藉由讀取信號READ將鎖存電路510的輸入端INN提供的電流導引到電晶體T1以判斷是否讓電晶體T1導通其兩端。並且,可藉由重置信號RESET將鎖存電路510的輸出端OUTN上的電荷透過耦接至地的方式清除,從而重置此鎖存電路510(即,將鎖存電路510的輸出端OUTN上的電壓清除為0)。
FIG. 5 is another example circuit diagram of the
圖6是圖1中鎖存讀取電路150的範例電路圖。本實施例使用用於讀取靜態隨機存取記憶體(SRAM)胞元的電路作為鎖存讀取電路150的適例。鎖存讀取電路150包括多個電晶體T11~T13與T21~T23以及反相器INV1~INV4。電晶體T21受控於讀取信號RWL1,以在讀取信號RWL1致能時,鎖存電路141中的鎖存位元經由電晶體T21以及讀取位元線RBL而導引到反相器INV1~INV4進行暫存與讀取;電晶體T22受控於讀取信號RWL2,以在讀取信號RWL2致能時,鎖存電路142中的鎖存位元經由電晶體T22以及讀取位元線RBL而導引到反相器INV1~INV4進行暫存與讀取;電晶體T23受控於讀取信號RWL3,以在讀取信號RWL3致能時,鎖存電路143中的鎖存位元經由電晶體T23以及讀取位元線RBL而導引到反相器INV1~INV4進行暫存與讀取。本實施例的鎖存讀取電路150係依據讀取鎖存電路141~143並判
讀其中的鎖存位元為”0”還是”1”,應用本實施例者亦可利用其他電路結構而以並行的方式同時讀取讀取鎖存電路141~143中的鎖存位元為”0”還是”1”。
FIG. 6 is an exemplary circuit diagram of the
圖7是本實施例一實施例中資料儲存裝置100以立體積體電路(3DIC)來實現的示意圖。在圖7中,資料儲存裝置100的記憶體陣列110原本就可透過立體積體電路的方式實現,且可將全域位元線GBL配置於與讀取裝置120相耦接之處。讀取裝置120的阻抗單元131~133、鎖存電路141~143以及鎖存讀取電路150皆可配置於記憶體陣列110的上方位置,從而輕易地以立體積體電路來實現資料儲存裝置100。
FIG. 7 is a schematic diagram of the
圖8是本實施例一實施例中資料儲存裝置的控制方法的流程圖。此控制方法800適用於圖1與圖2中的資料儲存裝置100。也就是說,請參照圖1,資料儲存裝置100包括記憶體陣列110。記憶體陣列110包括至少一個記憶體胞元112以及全域位元線GBL。每個記憶體胞元儲存多個位元。
FIG. 8 is a flowchart of a control method of a data storage device in an embodiment of this embodiment. This control method 800 is applicable to the
請參見圖1與圖8,於步驟S810中,在讀取操作的讀取充電時間時,將被選擇的記憶體胞元112的輸出端耦接全域位元線GBL。讀取裝置120的輸入端PIN經設置以耦接全域位元線GBL。讀取裝置120包括阻抗元件131~134以及鎖存電路141~143。阻抗元件131~134的第一端相互耦接至讀取裝置120的輸入端PIN。每個鎖存電路141~143的輸入端分別耦接對應的每個阻抗元件131~134的第二端。每個鎖存電路141~143分別具備對應的臨界電
壓。於步驟S820中,在前述讀取充電時間之後,讀取鎖存電路141~143中各自的鎖存位元。於步驟S830中,依據所讀取的鎖存電路141~143中的鎖存位元來判定記憶體胞元所儲存的資料。控制方法800也可以稱為是對資料儲存裝置中記憶體胞元的讀取方法。控制方法800的詳細操作請參見上述各實施例。
Referring to FIGS. 1 and 8, in step S810, during the reading of the charging time of the reading operation, the output terminal of the selected
綜上所述,本發明實施例所述的資料儲存裝置以及其控制方法透過調整讀取裝置中的電路架構,從原本以二分法多次地讀取記憶體胞元的臨界電壓與預設電壓相互比對,改為本實施例中以電流偵測方式一次性地感測與判定胞元中的資料。也就是說,本發明實施例透過調整讀取裝置中各個阻抗元件的阻抗值和/或鎖存電路的臨界電壓,使對應的鎖存電路在讀取操作的讀取充電時間內透過流經對應的阻抗元件的電流而充電,進而調整其內部的鎖存位元。藉此,本發明實施例可減少在讀取操作時對多級胞元的讀取次數,提高記憶體胞元的使用壽命與可靠度。 In summary, the data storage device and its control method according to the embodiment of the present invention reads the threshold voltage and the preset voltage of the memory cell multiple times by adjusting the circuit structure in the reading device. Compared with each other, the current detection method is used in this embodiment to sense and determine the data in the cell at one time. That is to say, the embodiment of the present invention adjusts the impedance value of each impedance element in the reading device and/or the threshold voltage of the latch circuit, so that the corresponding latch circuit flows through the corresponding The current of the impedance element is charged, and then the internal latch bit is adjusted. In this way, the embodiment of the present invention can reduce the number of times to read multi-level cells during a read operation, and improve the service life and reliability of memory cells.
100:資料儲存裝置 100: Data storage device
110:記憶體陣列 110: memory array
112:記憶體胞元 112: memory cell
120:讀取裝置 120: Reading device
131~133:阻抗單元 131~133: Impedance unit
141~143:鎖存電路 141~143: latch circuit
150:鎖存讀取電路 150: latch read circuit
SL:選擇線 SL: select line
Sgs:源極端選擇閘極 Sgs: Source selection gate
Sgd:汲極端選擇閘極 Sgd: Drain extreme selection gate
BL0~BL2:位元線 BL0~BL2: bit line
WL0~WLM:字元線 WL0~WLM: character line
R1~R3:阻抗單元的阻抗值 R1~R3: Impedance value of impedance unit
I1~I3:電流 I1~I3: current
P1~P3:路徑 P1~P3: path
PIN:讀取裝置的輸入端 PIN: the input terminal of the reading device
GBL:全域位元線 GBL: Global bit line
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