專利名稱：非易失性存儲器單擦除的多次寫入的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及存儲器電路領(lǐng)域。具體地，本發(fā)明涉及在電可編程非易失性存儲器中不進行擦除操作就能進行多次寫入操作。
半導(dǎo)體存儲器件一般包括多個存儲數(shù)據(jù)的分立單元。在常規(guī)的二進制存儲器件中，每個單元可存儲代表數(shù)據(jù)的一位的兩個狀態(tài)中的一個。此外，每個存儲單元可存儲多于一位的數(shù)據(jù)。這種存儲器件稱做多電平或多位存儲器件。多電平存儲器件在常規(guī)的二進制器件的基礎(chǔ)上增量了存儲容量和密度。例如，每個單元能夠存儲數(shù)據(jù)的兩位的存儲器件具有的存儲數(shù)據(jù)的能力為相同數(shù)量的常規(guī)二進制存儲器件的兩倍。
常規(guī)的二進制存儲器件的編程包括將存儲單元中的兩個電平或狀態(tài)中的一個存儲或編程，以代表數(shù)據(jù)的一位所有可能的數(shù)值。例如，當寫操作期間進行訪問時，常規(guī)的存儲單元存儲第一電壓或閾值電平，代表第一狀態(tài)，并存儲第二電壓或閾值電平，代表第二狀態(tài)。然而在多電平存儲器件中，一般存儲n個狀態(tài)中的個，代表一個以上的數(shù)據(jù)的單個位。雖然和現(xiàn)有技術(shù)的二進制存儲單元一樣，存儲單個位的能力要求具有存儲至少兩個電平的能力，但這里使用的“多電平”是指能夠存儲多于兩個電平或狀態(tài)(即，多于一個二進制數(shù))中的一個單元，“二進制”是指僅能夠存儲兩個電平中的一個(即，一個二進制數(shù))的單元。例如，為了在每個多電平存儲單元中存儲兩位，每個單元必須能夠存儲至少四個電平中的一個。能夠存儲n位的多電平單元必須能夠支持2n個閾值電平，是因為每位具有兩個電平中的一個。
一種類型的多電平存儲單元為快閃多電平存儲單元。一般來說，快閃存儲單元包括浮柵場效應(yīng)晶體管。每個浮柵晶體管都有選擇柵、浮柵、源和漏。通過改變存儲在浮柵上的電荷量，可將信息存儲在快閃單元中。這同樣會使浮柵場效應(yīng)晶體管的閾值電壓Vt發(fā)生變化。典型的現(xiàn)有技術(shù)的二進制快閃存儲單元為兩個可能的狀態(tài)中的一個，即“編程”或“擦除”。理論上說，快閃單元對添加到浮柵的電子都有一個確定的狀態(tài)。然而，由于限制了包括快閃單元的結(jié)構(gòu)、超時電荷丟失以及讀出浮柵上存儲的電荷限制的不一致實際上現(xiàn)有技術(shù)的快閃單元的狀態(tài)數(shù)量有限。
存儲在編程的單元上的實際電荷隨編程的單元不同而不等，或隨擦除的單元的不同而不等。為了適應(yīng)該因素，如果Vt在第一數(shù)值范圍內(nèi)，那么二進制快閃單元認為存儲了一個“1”；如果Vt在第二數(shù)值范圍內(nèi)，那么二進制快閃單元認為存儲了一個“0”。第一和第二范圍有差別，可通過“分離范圍”區(qū)分。換句話說，如果閾值電壓Vt編程為一組值中的一個值，那么單元狀態(tài)為“1”。如果閾值電壓Vt編程為另一組值中的一個值，那么單元狀態(tài)為“0”。這些值的組之間的差異稱做分離范圍。
當讀取快閃單元時，快閃單元導(dǎo)通的電流與具有設(shè)定在分離范圍內(nèi)的預(yù)定電壓的閾值電壓Vt的基準快閃單元導(dǎo)通的電流可比。當選擇快閃單元進行讀取時，偏置電壓施加到場效應(yīng)晶體管的選擇柵上。同時，將相同的偏置電壓施加到基準單元的選擇柵上。如果快閃單元被“編程”，那么多余的電子被浮柵俘獲，快閃單元的閾值電壓Vt增大，以使選擇的快閃單元導(dǎo)通的漏電流小于基準的快閃單元?，F(xiàn)有技術(shù)二進制快閃單元的編程狀態(tài)一般為邏輯0。如果現(xiàn)有技術(shù)的快閃單元為“擦除”，那么浮柵將有很少的電子，并且快閃單元比基準單元導(dǎo)通更多的漏-源電流。現(xiàn)有技術(shù)二進制快閃單元的擦除狀態(tài)一般為邏輯1。
多電平快閃單元能存儲兩個以上電平中的一個。例如，能夠存儲2位的多電平快閃單元可設(shè)置為四個狀態(tài)中的一個。這意味著一個狀態(tài)唯一地指定為兩位的四個可能的組合“00”，“01”，“10”和“11”中的一個。要求有2n-1個參考電壓區(qū)分2n個狀態(tài)。這樣對于4個狀態(tài)，必須有3個參考電壓和3個分離范圍。為對比起見，現(xiàn)有技術(shù)二進制快閃單元一般使用一個參考電壓以區(qū)分2個狀態(tài)。
將2n-1個參考電壓中的每一個與存儲單元的漏-源電流確定的電壓相比較可讀出這些多電平快閃單元。然后使用譯碼邏輯將2n-1個比較器的輸出翻譯為n個位。
快閃存儲器件一般包括快閃存儲單元的陣列。這些陣列一般分成或再分為塊。現(xiàn)有技術(shù)的快閃存儲單元可以一個單元一個單元編程，然而，快閃存儲器僅能以單元塊擦除。
現(xiàn)有技術(shù)的寫技術(shù)的一個缺點是一旦有數(shù)據(jù)寫入塊內(nèi)，不首先擦除塊就不能修改塊內(nèi)的數(shù)據(jù)。換句話說，現(xiàn)有技術(shù)的寫技術(shù)一次擦除循環(huán)僅能允許一次寫循環(huán)。
快閃存儲器的一個應(yīng)用是在固態(tài)“磁盤”的區(qū)域內(nèi)。固態(tài)磁盤使用如快閃存儲器等的非易失性存儲器模擬常規(guī)的計算機磁盤存儲器件。一般地，將磁盤扇區(qū)物理地或邏輯地映射到快閃存儲單元的塊上。由于在現(xiàn)有技術(shù)的存儲系統(tǒng)中，每個擦除循環(huán)僅有一個寫循環(huán)，所以有必要“清除”以前已寫入到單元的數(shù)據(jù)，以使這些單元能再存儲數(shù)據(jù)。一般地，塊內(nèi)的有效數(shù)據(jù)與更新的數(shù)據(jù)拷貝到另一個塊的位置。然后，將以前的塊位置標記為清除。清除過程擦除了整個塊，并使塊能再存儲。
現(xiàn)有技術(shù)在單元上進行擦除一次寫入一次的方法的一個缺點是需要一定量的能量消耗。因此，在存儲的數(shù)據(jù)需要頻繁的修改的應(yīng)用中，在將有效的數(shù)據(jù)移動到新的位置，并擦除以前存儲在塊內(nèi)的信息時，要消耗大量的能量。
對單元重新編程進行的擦除步驟的另一個缺點是擦除過程一般比編程過程花費更長的時間。
每次編程循環(huán)的擦除的另一個不足是循環(huán)引入可靠性錯誤。每次編程/擦除循環(huán)都使快閃存儲單元退化。
鑒于已知系統(tǒng)和方法的局限，本發(fā)明的一個目的是提供一種不進行擦除就能對非易失性存儲單元進行多次替代(superseding)寫入的方法。該方法包括步驟在非易失性存儲單元的第一電平存儲第一位，并非易失性存儲單元的第二電平存儲第二位。
本發(fā)明的另一目的是提供一種讀取非易失性存儲單元的方法。該方法包括步驟再調(diào)用電平指示器，然后讀出電平指示器指示的電平下的單元，以確定單元的狀態(tài)。
此外，還提供了一種在非易失性存儲單元上延遲擦除操作的方法。通過增大(incrementing)電平指示器來延遲擦除操作，其中電平指示器顯示要寫入的非易失性存儲單元的下一個電平。
重新填充(backfil1)技術(shù)被引入作為確保在非易失性存儲單元的給定電平下一致的編程次數(shù)一致的方法。
從下面結(jié)合附圖的詳細說明中，本發(fā)明的其它目的、特點和優(yōu)點將很明顯。
本發(fā)明通過例子圖示出，但并不局限于附圖中的圖形，其中類似的參考數(shù)字表示了相似的元件，其中

圖1為多電平存儲單元的塊擦除狀態(tài)的一個實施例。
圖2為多電平存儲單元的塊內(nèi)的電平的編程。
圖3為多電平存儲單元的塊內(nèi)另一電平的編程。
圖4為使用“重新填充技術(shù)”的多電平存儲單元的電平的編程。
通過使用多電平單元作為單個位存儲器件，在進行擦除之前單個位可多次寫入。假設(shè)有n個電平的多電平存儲單元，快閃存儲單元可有多達n個獨特的電平。保留一個電平用于擦除狀態(tài)。其余的n-1個電平可用于編程。
在擦除操作期間，電荷由快閃存儲單元的浮柵上除去。在編程操作期間，電荷充到快閃存儲單元的浮柵上。已編程或已擦除的狀態(tài)對應(yīng)于編程或擦除操作?，F(xiàn)有技術(shù)的二進制快閃存儲單元的編程狀態(tài)(即，將電荷充到浮柵上)一般為邏輯0，擦除狀態(tài)(即，將電荷從浮柵上除去)通常為邏輯1。擦除操作為從浮柵上耗盡電荷的過程。在擦除操作期間，浮柵上超出了給定閾值的任何電荷都要泄放掉，以確保擦除操作后，浮柵上的電荷電平低于閾值電平。然而，編程操作可以將電荷充到或不充到浮柵上，這取決于要存儲的數(shù)值。常規(guī)的二進制快閃存儲單元總是編程為0(即，浮柵上有電荷)。然而編程為0后，在常規(guī)的二進制快閃存儲單元再次存儲1之前，必須進行擦除操作。
在多電平單元中，單個位可存儲在給定電平，而不是通過選擇電荷電平存儲單個多位數(shù)值。換句話說，通過進行在n個電平的多電平存儲單元的第一電平上存儲(或?qū)懭?第一位，然后在多電平存儲單元的第二電平上存儲第二位的步驟，完成到多電平存儲單元的多次替代寫入。通過在第二電平存儲第二位覆蓋第一個數(shù)值。實質(zhì)上，這樣在需要擦除操作之前，可對多電平單元進行多次寫入。
為確定存儲在給定的單元中的數(shù)值，有必要知道最后一次電平寫入的是什么。這意味著需要跟蹤機構(gòu)以始終監(jiān)視電流電平(或使用正確的參考電壓)。該機構(gòu)可包括狀態(tài)機構(gòu)、存儲器、或計數(shù)器。進行跟蹤的程度(即，單元、塊、塊的組、或器件水平的)可稱做跟蹤的分辨率。在一個實施例中，在單元的基礎(chǔ)上進行跟蹤。然而單元基礎(chǔ)上的跟蹤可能不充分，是由于進行跟蹤期間存在的實際原因。此外，由于要擦除塊內(nèi)的一個快閃單元，塊內(nèi)所有的快閃單元都必須擦除，那么可證明塊或甚至器件水平的跟蹤最充分。因此，在另一個實施例中使用塊、多單元、或器件水平的跟蹤方案。多單元跟蹤例如在固態(tài)磁盤的應(yīng)用中很有用，在該應(yīng)用中磁盤扇區(qū)被邏輯地映射到多個物理地設(shè)置的單元上，作為單元塊內(nèi)的子單元。
圖1-3示出了對4個電平單元進行多次寫入的結(jié)果。圖1示出了一組擦除的多電平單元110、120、130和140。圖2示出了按“0101”順序?qū)懙絾卧D3示出了隨后寫入“0110”。(劃斜線的圓圈表示電荷充到浮柵上，并且浮柵上有電荷為邏輯“0”。)然而這些圖沒有示出分離范圍，再參考圖1，以上討論的參考電壓對應(yīng)于界線160、162和164，可用于確定存儲在單元110、120、130和140中的數(shù)值。第一電平(150)代表擦除狀態(tài)?？杖?例如170)顯示浮柵沒有足夠的電荷，使得閾值分離(dividing)電平1和2被超出。當讀出單元140并將結(jié)果與對應(yīng)于界線160的參考電壓相比較時，確定要擦除單元140(即，在電平1存儲“1”)，是因為沒有足夠的電荷超出界線160設(shè)定的閾值。實際上，只要電荷電平不超出界線160的閾值，電荷在電平1存在(即，會出現(xiàn)劃斜線的圓圈或部分劃斜線的圓圈)。
圖2示出了將“0101”存儲到以前擦除的單元(當由單元210開始從左到右看時)。在給定電平上的“劃斜線的圓圈”或點意在指示該單元的浮柵已充到該電平。例如，電平2的點270意為單元210的浮柵上有足夠的電荷，所以當使用對應(yīng)260的參考電壓時，與在電平2擦除或存儲“1”相反，可以認為單元在電平2存儲了“0”。換句話說，點270意味著由單元210測量的任何電壓都在與對應(yīng)于界線260的參考電壓的閾值以上。
為了在點270代表的電平2上存儲0，浮柵上的電荷量將超過為電平1設(shè)定的閾值。這樣如果點280以前在圖1中為空圈，那么它(對應(yīng)于圖1中的空圈180)的圈內(nèi)將劃斜線。
圖3圖示了對以前存儲“0101”的單元組存儲“0110”。注意單元310的浮柵上繼續(xù)充有電荷，并且單元320的浮柵還沒有任何電荷充于其上。在該實施例中，單元330不需要任何附加的電荷充于其上。然而，單元340的浮柵必須充有足夠的電荷，以將它提高到電平1(350)和2(352)。由于單元340以前在浮柵上基本上沒有任何電荷，所以該點上需要更多的時間和能量以添加合適量的電荷。既然已使用了電平3(354)，那么必須設(shè)定電平指示器，以便現(xiàn)在使用適當?shù)慕缇€(即，參考電壓)。
所有的參考電壓都用于確定存儲在多電平單元中的多位數(shù)值，而所述多電平單元以如上所述的常規(guī)方式使用。然而在這種情況下，由電平指示器指示出的電流電平顯示出應(yīng)該使用那一個參考電壓。
電平3 沒有使用，因此可進行寫入。這樣，在進行擦除操作之前，可對n個電平的多電平單元進行多達n-1次寫入。在進行擦除操作之前，可如下不止一次地寫入多電平存儲單元首先，第一位存儲在n個電平的多電平存儲單元的第一電平。當讀取單元時，為了知道使用正確的參考電壓，必須設(shè)定電平指示器指示出該第一電平。當?shù)诙蛱娲粚懙絾卧獣r，第二位存儲在n個電平的存儲單元的第二電平。然后更新電平指示器，指示出現(xiàn)在正在使用單元的第二電平。
多電平存儲單元可以假(pesudo)擦除，并通過增大電平指示器存儲數(shù)值，所以電平指示器指示出多電平單元要寫入的下一個電平。在需要進行實際的擦除之前，該過程可進行多達n-1個電平。
假設(shè)在完成多電平存儲單元的擦除之前，固態(tài)磁盤作為多次寫入的一個應(yīng)用。雖然快閃單元一次編程一個，但快閃單元一般一次只擦除一個塊。常規(guī)的二進制單元隨時可獨立地編程為邏輯0，然而，一旦單元被編程為邏輯0，那么必須擦除它，以存儲邏輯1。因此如果塊內(nèi)的二進制單元的有相關(guān)位必須從0變到1，那么在單元再次存儲1之前，必須擦除整個塊。
在一個實施例中，“有效”信息和更新的信息拷貝到快閃存儲器的空閑區(qū)域。舊的塊位置被標記為清除，這樣它的存儲空間被擦除并空閑，用于以后的存儲。這可延遲擦除過程，意在改善固態(tài)磁盤的性能。
擦除操作趨于比編程操作需要更多的時間和更多的能量。減少每個操作的運行時間可提高系統(tǒng)的性能。如果代替常規(guī)的二進制使用多電平單元，那么對于相關(guān)的單元的塊，僅通過增大電平指示器就可以完成假擦除操作。雖然沒有進行真正的擦除，但該技術(shù)可延遲擦除操作，直至n個電平的多電平單元的塊寫入n-1次。該技術(shù)會節(jié)約能量和擦除時間。因為沒有進行實際的擦除，所以在正常的擦除操作期間，除了對存儲單元的塊增大電平指示器需要的量外，其它情況下運用的能量儲存起來。增大塊的電平指示器僅需要時間。這樣使用該技術(shù)可節(jié)約能量和時間，因此可能會改善固態(tài)磁盤的性能。
一種可能增強系統(tǒng)性能的附加技術(shù)是“重新填充”。該技術(shù)可識別在單元的第q個電平將一位編程為“0”需要不同的時間，這取決于以前存儲的位是否為“1”還是“0”。換句話說，在特定的電平編程單元所需的時間量直接與浮柵上已有的電荷量有關(guān)。
圖4為使用重新填充技術(shù)的圖3的一個變型。注意在圖3中寫入到電平3時，在單元320浮柵上仍然基本上沒有電荷，是由于三個“1”已寫入到單元的原因。如果在電平4將“0”寫入，由于單元310的浮柵上已有一定量的電荷，因此將單元320編程為“0”比將單元310編程為“0”需要更多的時間。因此編程操作對多電平單元中以前已存儲的數(shù)值很敏感。然而，圖4示出在電平3存儲的數(shù)值與存儲在圖3中的相同。差別在于在進行下一電平之前，第一和第二電平已編程為“0”。注意圖3的370為空圈，圖4的470為劃斜線的圓圈，然而在兩個圖中存儲在電平3的數(shù)值相同。
重新填充技術(shù)有助于確保在任何電平編程到“0”需要幾乎相同的時間。該技術(shù)的缺點為無論何時增大電平指示器時，為浮柵增加電荷需要時間和能量。然而使用該技術(shù)的優(yōu)點包括在隨后的更高的電平具有的一致的編程時間基本上與多電平單元中存儲的當前值無關(guān)。再回到圖1，與重新填充技術(shù)一致，四個單元的浮柵可以充電達到(但不超過)閾值160。這樣可以填充170和180以及其它的圓圈，以表示有電荷存在。電平1仍表示擦除狀態(tài)，然而，由于浮柵上已有一定量的電荷，所以電平2的編程現(xiàn)在需要更少的時間。
雖然在以上的例子中使用了快閃存儲器，但該技術(shù)也適用于任何非易失性存儲器，只要該非易失性存儲器在隨后的編程操作中能連續(xù)地存儲電荷，并能讀出連續(xù)變化的電荷量(即，電荷的正或負變化)。這種存儲器的例子包括非多電平快閃存儲單元(非MLC快閃)、電可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)、可擦除可編程只讀存儲器(EPROM)、只讀存儲器(ROM)以及以上介紹的多電平快閃(MLC快閃)單元。
在以上詳細的說明中，參考具體的示例性實施例介紹了本發(fā)明。對其作出的不同的修改和變型都不脫離權(quán)利要求書確定的本發(fā)明的精神和范圍。因此說明書和附圖僅作為一個示例，而不是限定性的目的。
權(quán)利要求
1.一種對非易失性存儲器進行多次替代寫入的方法，包括步驟在非易失性存儲單元的第一電平存儲第一位；以及在非易失性存儲單元的第二電平存儲第二位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中非易失性存儲器為多電平存儲單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中非易失性存儲器為快閃存儲單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括在存儲第二位之前給第一電平編程第一數(shù)值的步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中非易失性存儲單元為多電平存儲單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中非易失性存儲單元為快閃存儲單元。
7.一種對非易失性存儲單元進行多次替代寫入的方法，包括步驟在n個電平的多電平存儲器單元的第一電平上存儲第一位；將電平指示器設(shè)定為第一電平；在多電平存儲器單元的第二電平存儲第二個順序位；將電平指示器設(shè)定為第二電平。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中非易失性存儲單元為多電平存儲單元。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中非易失性存儲單元為快閃存儲單元。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，還包括在存儲第二個順序位之前給第一電平編程第一數(shù)值的步驟。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中非易失性存儲單元為多電平存儲單元。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中非易失性存儲單元為快閃存儲單元。
13.一種讀取非易失性存儲單元單元的方法，包括步驟再調(diào)用電平指示器；以及讀出由電平指示器指示電平處的單元，以確定單元的狀態(tài)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中非易失性存儲單元為多電平存儲單元。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中非易失性存儲單元為快閃存儲單元。
16.一種擦除非易失性存儲單元的方法，包括步驟增大(incrementing)電平指示器，其中電平指示器顯示出要寫入的非易失性存儲器單元的下一個電平。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中非易失性存儲單元為多電平存儲單元。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中非易失性存儲單元為快閃存儲單元。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，還包括在增大電平指示器之前在當前電平編程第一數(shù)值的步驟。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中非易失性存儲單元為多電平存儲單元。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中非易失性存儲單元為快閃存儲單元。
全文摘要
介紹了一種在對非易失性存儲器單元擦除之前進行多次寫入的方法。第一位存儲在非易失性存儲器單元(110,120,130和140)的第一電平。第二位存儲在非易失性存儲器單元(110,120,130和140)的第二電平。也介紹了一種擦除非易失性存儲器單元的方法。增大電平指示器,指示出非易失性存儲器單元要寫入的下一電平。一種讀取非易失性存儲器單元的方法包括再調(diào)用電平指示器。然后在電平指示器指示的電平讀出非易失性單元,以確定存儲單元的狀態(tài)。
文檔編號G11C11/56GK1198241SQ96197258
公開日1998年11月4日 申請日期1996年9月24日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月29日
發(fā)明者R·N·哈斯布恩, F·P·雅內(nèi)克 申請人:英特爾公司