KR20000016640A - Device and method for multi-level charge/storage and reading out - Google Patents
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Abstract
3개 이상의 전하 레벨을 저장할 수 있는 메모리 셀을 갖는 메모리 디바이스를 개시한다. 셀은 단일 펄스 전하 레벨 주입 메카니즘에 따라 프로그램된다. 이 방법은 프로그램 검증 설계를 필요로하지 않으며, 프로그램 중의 속도를 증가시키며, 1비트 정보를 저장하는 데 필요한 영역을 줄인다. 메모리 디바이스는 정보 쓰기(저장 또는 프로그램)수단, 정보 삭제수단, 및 정보 읽기 수단을 더 포함한다. 또한, t(t는 3이상) 가능 레벨을 갖는 메모리 셀의 전하 레벨을 결정하는 이러한 방법을 실행하는 방법 및 회로를 제공한다. 회로는 메모리 셀 드레인 전류와 n개 기준 각각의 드레인 전류의 유사성을 측정하여, 메모리 셀에 가장 유사한 하나의 기준을 결정하며, 이것에 의해 메모리 셀의 전하 레벨을 확인한다.A memory device having a memory cell capable of storing three or more charge levels is disclosed. The cell is programmed according to a single pulse charge level injection mechanism. This method does not require a program verification design, increases the speed during the program, and reduces the area required to store 1-bit information. The memory device further includes information writing (storing or program) means, information deleting means, and information reading means. Also provided are methods and circuits that implement this method of determining the charge level of a memory cell having a t (t equal to or greater than 3) possible level. The circuit measures the similarity of the memory cell drain current and the drain current of each of the n references to determine one reference that is most similar to the memory cell, thereby identifying the charge level of the memory cell.
Description
비휘발성 반도체 메모리 디바이스는 반도체 메모리 디바이스의 중요한 분야이다. 하나의 특수한 형태의 비활성 반도체 메모리 디바이스는 플래시 EEPROM 디바이스다. 비활성 메모리 디바이스에 데이터가 저장되는 주요 메커니즘은 메모리 셀로의 액세스이다. 휴대용 계산 및 통신 애플리케이션에서 고밀도 플래시 EEPROM 메모리 디바이스의 요구는 플래시 EEPROM 메모리 셀 크기의 축소에서 계속적인 노력을 자극한다. 플래시 메모리 디바이스의 저장능력을 한층 더 증가시키기 위하여, 멀티-레벨 전하 저장(MLCS : Multi-Level Charge Storage) 기술이 개발되었다. 이 기술은 플래시 EEPROM 비휘발성 메모리 디바이스의 정보 비트당 비용을 감소시킬 수 있다.Nonvolatile semiconductor memory devices are an important field of semiconductor memory devices. One special type of inactive semiconductor memory device is a flash EEPROM device. The main mechanism by which data is stored in inactive memory devices is access to memory cells. The demands of high density flash EEPROM memory devices in portable computing and communications applications provoke ongoing efforts in shrinking flash EEPROM memory cell sizes. In order to further increase the storage capacity of flash memory devices, multi-level charge storage (MLCS) technology has been developed. This technique can reduce the cost per bit of information in flash EEPROM nonvolatile memory devices.
일반적으로, MLCS 메모리 디바이스는 임계 전압레벨에 상응하는 2n개의 다른 전하레벨이 하나의 메모리 셀에 저장될 수 있고, 이러한 다른 임계 전압레벨에 상응하는 전류가 독출될 수 있도록 구성된다. 이와 같이, 단일 메모리 셀에서 n비트(n은 2이상) 데이터의 저장 및 독출이 이루어질 수 있다. MLCS 기술의 경우 정보 비트당 비용은 1/n 으로 감소된다.In general, an MLCS memory device is configured such that 2 n different charge levels corresponding to threshold voltage levels can be stored in one memory cell, and current corresponding to these other threshold voltage levels can be read. As such, the storage and reading of n-bit (n is 2 or more) data may be performed in a single memory cell. For MLCS technology, the cost per information bit is reduced to 1 / n.
멀티-레벨 저장(쓰기 또는 프로그램) 회로 및 기술, 그리고 독출 회로 및 기술은 개시되어 있다. 해러리(Harrari)의 미국특허번호 5,043,940은 2개 이상의 프로그램가능한 임계상태로 프로그램될 수 있는 분할 채널 EEPROM 디바이스를 개시하고 있다. 마노(Mano) 등의 미국특허번호 4,771,404는 3개 이상의 정보를 저장할 수 있는 메모리 셀을 갖는 메모리 디바이스를 개시하고 있다. 이 메모리 디바이스는 메모리 셀의 정보를 한번에 검출하는 멀티-레벨 검출기 및 기준 레벨을 생성하는 기준생성기를 갖는다. 메로트라(Mehrotra) 등의 미국특허번호 5,163,021은 멀티-상태 EEPROM 메모리 디바이스의 읽기, 쓰기 및 삭제용 회로 및 기술의 개선을 개시하고 있으며, 이 개선된 회로는 상응하는 기준 셀 세트로 제공되는 임계레벨 세트에 관련하여 읽기를 행한다. 미국특허번호 4,415,992는 메모리 셀의 n개 전하레벨을 식별하는 독출 구조를 개시하고 있으며, 이는 (n-1)개의 비교기와 (n-1)개의 전압기준이 병렬로 사용되어 메모리 셀의 전하레벨을 결정한다. 비교기의 출력을 비트로 변환하기 위하여 디코딩 로직이 추가적으로 필요하다. (2n-1)개의 다른 전압 진폭 전체가 필요하고, 또한 칩 상에 구현되어져야 한다. 다른 멀티레벨 저장 메모리 디바이스 및 프로그래밍 방법이 국제공개 95/34074, 미국특허공보 5,422,845, 및 국제공개 95/34075에 개시되어 있다.Multi-level storage (write or program) circuits and techniques, and read circuits and techniques are disclosed. Harrier's US Pat. No. 5,043,940 discloses a split channel EEPROM device that can be programmed to two or more programmable threshold states. US Patent No. 4,771,404 to Mano et al. Discloses a memory device having a memory cell capable of storing three or more pieces of information. The memory device has a multi-level detector for detecting the information of the memory cells at one time and a reference generator for generating a reference level. U. S. Patent No. 5,163, 021 to Merotra et al. Discloses improvements in circuitry and techniques for reading, writing, and erasing multi-state EEPROM memory devices, which circuits provide a threshold level provided with a corresponding set of reference cells. Read in relation to the set. U.S. Patent No. 4,415,992 discloses a readout structure for identifying n charge levels of a memory cell, wherein (n-1) comparators and (n-1) voltage references are used in parallel to determine the charge level of the memory cell. Decide Additional decoding logic is needed to convert the output of the comparator to bits. All (2n-1) different voltage amplitudes are needed and must also be implemented on the chip. Other multilevel storage memory devices and programming methods are disclosed in WO 95/34074, US Pat. No. 5,422,845, and WO 95/34075.
종래기술에서 나타난 메모리 디바이스의 문제점은 작용에 있어 비트 단위의 프로그램 확인 절차를 수행한다는 점이다. 이 절차는 저장 레벨의 정확성과 프로그램 속도 사이에서 취사 선택관계를 갖는다. 결과적으로, 프로그램 동작은 느려지게 된다. 게다가, 확인 절차의 칩 구현은 칩 디멘션을 증가시킨다. 또한, 종래 기술에 개시된 메모리 디바이스는 다수의 비교기 및 디코딩 로직에 기반한 독출 회로를 이용하고 있으며, 이는 메모리 디바이스의 복잡성을 증가시킬 뿐 아니라 칩 디멘션을 크게 한다.A problem of the memory device shown in the prior art is that it performs a bit-by-bit program verification procedure in operation. This procedure has an optional relationship between storage level accuracy and program speed. As a result, program operation becomes slow. In addition, the chip implementation of the verification procedure increases the chip dimension. In addition, the memory devices disclosed in the prior art utilize read circuits based on a number of comparators and decoding logic, which not only increases the complexity of the memory device but also increases the chip dimensions.
멀티-레벨 전하 저장용 종래기술 메모리 셀은 FNT(Fowler Nordheim Tunneling) 또는 CHE(Channel Hot Electron) 주입에 기반한 프로그래밍 방법을 이용한다. 종래기술 멀티-레벨 프로그래밍 방법은 다음의 공통 단계를 포함하는 '프로그램 확인 구조'를 이용한다:Prior art memory cells for multi-level charge storage use programming methods based on Fowler Nordheim Tunneling (FNT) or Channel Hot Electron (CHE) injection. The prior art multi-level programming method utilizes a 'program checking structure' comprising the following common steps:
(1) 보통 100마이크로초 내지 1밀리초 지속시간을 갖는 프로그래밍 펄스가 프로그램되는 메모리 셀에 인가되고;(1) a programming pulse, typically having a duration of 100 microseconds to 1 millisecond, is applied to the memory cell being programmed;
(2) 프로그램될 메모리 셀의 드레인 전류가 감지되어 비교기에 인가되며, 비교기에는 셀이 프로그램될 멀티-레벨 전하 레벨 중 하나에 상응하는 기준 전류 소스의 전류도 인가되며;(2) the drain current of the memory cell to be programmed is sensed and applied to the comparator, where the current of the reference current source corresponding to one of the multi-level charge levels to which the cell is to be programmed is also applied;
(3) 메모리 셀의 전류와 기준 전류 소스의 전류가 일치하는 경우에는 셀은 보정 상태에 있으며, 더 이상의 프로그램이 불필요하다. 그러나 전류들이 일치하지 않는 경우, 단계 (1) 및 (2)이 반복된다.(3) When the current of the memory cell and the current of the reference current source coincide, the cell is in a corrected state and no further programming is necessary. However, if the currents do not match, steps (1) and (2) are repeated.
종래기술 프로그래밍 방법은 메모리 디바이스를 구현하는 데 필요한 고속 프로그래밍 및 작은 칩 크기로 특징되는 MLCS 방법을 개시하고 있지 못하다. 종래 기술에 따른 프로그래밍 방법은 프로그래밍 단계의 수차례 반복이 요구되고, 각 단계 후에 의도된 전하 레벨로 셀을 정확히 프로그램하기 위한 감지 단계가 필요하므로, 전체 프로그램 동작의 속도가 상당히 손상된다. 게다가, 속도는 프로그램될 특정 전하 레벨의 함수이다. 이러한 문제점은 메모리 디바이스의 데이터 쓰루풋을 상당히 감소시킨다. 두 번째 문제점은 실리콘 영역 소모와 관련되며, '프로그램 확인 구조'의 실리콘 이용은 칩 크기를 증가시킨다.Prior art programming methods do not disclose an MLCS method characterized by the high speed programming and small chip size required to implement a memory device. The prior art programming method requires several iterations of the programming steps and a sensing step to correctly program the cell to the intended charge level after each step, which significantly impairs the speed of the overall program operation. In addition, the speed is a function of the specific charge level to be programmed. This problem significantly reduces the data throughput of the memory device. The second problem is related to silicon area consumption, and the use of silicon in the 'program verification structure' increases chip size.
본 발명은 다중 레벨 전하 저장용 비활성 메모리 디바이스에 관한 것으로, 보다 상세하게는 멀티-레벨 전하 저장용 디바이스 및 방법 그리고 이러한 디바이스를 읽는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an inactive memory device for multilevel charge storage, and more particularly to a device and method for multi-level charge storage and to an apparatus and method for reading such a device.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메모리 셀;1 is a memory cell in accordance with a preferred embodiment of the present invention;
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메모리 셀의 어레이;2 is an array of memory cells in accordance with a preferred embodiment of the present invention;
도 3은 본 발명의 전압가변 소스측 주입 방법에 따라 프로그램된 셀의 임계전압 및 독출 전류;3 is a diagram illustrating a threshold voltage and a read current of a cell programmed according to the voltage variable source side injection method of the present invention;
도 4는 전압가변 소스측 주입의 프로그래밍 특성;4 is a programming characteristic of voltage variable source side injection;
도 5는 독출 아키텍쳐의 상태;5 is a state of the read architecture;
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 독출 아키텍쳐의 동작 원리;6 is an operating principle of a read architecture in accordance with a preferred embodiment of the present invention;
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 독출 아키텍쳐의 블록도;7 is a block diagram of a read architecture in accordance with a preferred embodiment of the present invention;
도 8은 도 7의 서브회로(400, 401, 402 및 403)의 구성도;FIG. 8 is a configuration diagram of the subcircuits 400, 401, 402, and 403 of FIG. 7;
도 9는 도 7의 서브회로(500)의 구성도;9 is a configuration diagram of the subcircuit 500 of FIG. 7;
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 독출 아키텍쳐의 상세한 레이아웃;10 is a detailed layout of a read architecture in accordance with a preferred embodiment of the present invention;
도 11은 서브회로(400, 401, 402 및 403)에 대한 실험결과; 및11 shows experimental results of sub-circuits 400, 401, 402 and 403; And
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 독출 아키텍쳐의 실험결과를 도시하고 있다.12 shows experimental results of a read architecture according to a preferred embodiment of the present invention.
본 발명의 목적은 메모리 셀에 3개 이상의 전하 레벨을 저장할 수 있는 메모리 셀을 갖는 메모리 디바이스를 개시하는 데 있다. 메모리 셀은 셀에서 단일 펄스 전하 레벨 주입 메커니즘을 포함하는 방법에 따라 프로그램될 수 있다. 이 방법은 전하 레벨 확인 구조를 필요로하지 않으며, 프로그램 속도를 증가시키고, 그리고 한 비트의 정보를 저장하는 데 필요한 공간을 감소시킨다. 프로그래밍 메커니즘의 속도는 종래기술에 개시된 다른 멀티-레벨 프로그래밍 메커니즘보다 적어도 2 차수 크기만큼 빠르다. 본 발명의 메모리 디바이스는 정보 쓰기 또는 정보 저장 또는 정보 프로그램 수단, 정보 삭제 수단, 및 정보 독출 수단을 더 갖는다. 쓰기 또는 저장 또는 프로그래밍이란 용어는 결국 동일한 방법 또는 회로 또는 수단을 나타냄을 후에 알게 될 것이다.It is an object of the present invention to disclose a memory device having a memory cell capable of storing three or more charge levels in the memory cell. The memory cell can be programmed according to a method comprising a single pulse charge level injection mechanism in the cell. This method does not require a charge level checking scheme, increases program speed, and reduces the space needed to store one bit of information. The speed of the programming mechanism is at least two orders of magnitude faster than other multi-level programming mechanisms disclosed in the prior art. The memory device of the present invention further has information writing or information storing or information program means, information deleting means, and information reading means. It will be appreciated later that the term write or store or program refers to the same method or circuit or means.
본 발명의 다른 목적은 t개의 가능한 상태(t는 3이상)를 갖는 메모리 셀의 전하 레벨을 독출하기 위한 전술한 방법을 구현하는 방법, 장치 및 회로를 제공하는 데 있다. 회로는 메모리 셀의 드레인 전류와 더미 셀에 저장된 m 개의 기준의 각각의 드레인 전류와의 유사성을 측정하여 메모리 셀에 가장 가까운 하나의 기준을 결정하여, 상기 메모리 셀의 전하 레벨을 확인한다.It is another object of the present invention to provide a method, apparatus and circuit for implementing the aforementioned method for reading the charge level of a memory cell having t possible states (t is 3 or more). The circuit determines the charge level of the memory cell by measuring the similarity between the drain current of the memory cell and each drain current of the m references stored in the dummy cell to determine the one reference closest to the memory cell.
본원발명의 제1 예는 멀티-레벨 전하 저장용 메모리 디바이스를 개시하고 있다. 메모리 디바이스는 다수의 플래시 EEPROM 메모리 셀을 포함하며, 전하 레벨을 프로그램하는 수단 및 셀에 저장된 전하 레벨에 상응하여 이진 데이터를 병렬로 출력하는 독출수단을 더 포함한다. 메모리 디바이스의 메모리 셀은 반도체 기판에 소스 영역, 드레인 영역 및 채널 영역을 갖는다. 메모리 셀은 플로팅 게이트를 더 포함하며, 플로팅 게이트는 제1 및 제2 플로팅 게이트부를 포함하고, 제1 플로팅 게이트부는 채널 영역 위에 연장되고, 제2 플로팅 게이트부는 채널 영역에서 떨어져 연장된다. 메모리 셀은 프로그램 게이트 및 제어 게이트를 포함하고, 프로그램 게이트는 제2 플로팅 게이트부와 커패시터를 형성한다. 메모리 디바이스의 프로그래밍 수단은 다수의 소정 진폭에서 선택된 소정 진폭 및 고정 시간 폭을 갖는 고전압 펄스를 셀에 인가하는 수단을 포함한다. 소정 진폭은 전하 레벨을 결정한다. 전하 레벨은 한 메모리 셀의 다른 임계 전압레벨과 부합한다. 메모리 디바이스의 메모리 셀은 로우 및 칼럼을 갖는 어레이로 배열되며, 동일 칼럼에 속해 있는 셀의 드레인은 서로 연결되어 데이터 출력 라인을 형성하고, 동일 칼럼에 속해 있는 셀의 프로그램 게이트는 서로 연결되어 데이터 입력 라인을 형성한다. 동일 로우에 속해 있는 셀의 제어 게이트는 서로 연결되어 워드 라인을 형성한다.A first example of the present invention discloses a memory device for multi-level charge storage. The memory device includes a plurality of flash EEPROM memory cells, further comprising means for programming a charge level and reading means for outputting binary data in parallel corresponding to the charge level stored in the cell. The memory cell of the memory device has a source region, a drain region and a channel region in the semiconductor substrate. The memory cell further includes a floating gate, the floating gate including first and second floating gate portions, the first floating gate portion extending over the channel region, and the second floating gate portion extending away from the channel region. The memory cell includes a program gate and a control gate, and the program gate forms a capacitor with the second floating gate portion. The programming means of the memory device comprises means for applying a high voltage pulse having a predetermined amplitude and a fixed time width selected from the plurality of predetermined amplitudes to the cell. The predetermined amplitude determines the charge level. The charge level matches the other threshold voltage level of one memory cell. Memory cells of a memory device are arranged in an array having rows and columns, with drains of cells belonging to the same column connected to each other to form data output lines, and program gates of cells belonging to the same column connected to each other to input data Form a line. Control gates of cells belonging to the same row are connected to each other to form a word line.
본원발명의 제2 예는 메모리 셀에 다수의 전하 레벨 중 하나를 저장하는 방법을 개시하고 있다. 메모리 셀은 소스 영역, 드레인 영역, 채널 영역 및 플로팅 게이트를 포함하며, 플로팅 게이트는 제1 및 제2 플로팅 게이트부를 포함하고, 제1 플로팅 게이트부는 채널 영역 위에 연장되고, 제2 플로팅 게이트부는 채널 영역에서 떨어져 연장되며, 메모리 셀은 프로그램 게이트 및 제어 게이트를 더 포함하고, 프로그램 게이트는 제2 플로팅 게이트부와 커패시터를 형성한다. 이 방법은 제어 게이트에 저전압을 인가하는 단계; 드레인 영역에 5볼트 이하 전압을 인가하는 단계; 및 전하 레벨을 결정하는 소정 진폭들 중에서 선택된 소정 진폭 및 고정 시간 폭을 갖는 고전압 펄스를 프로그램 게이트에 인가하는 단계를 포함한다. 또한, 이 방법은 제2 플로팅 게이트부에 고전압 펄스를 용량적으로 결합하는 단계를 더 포함하여, 플로팅 게이트에 열 전자를 주입함으로써 다수의 전하 레벨 중 하나가 메모리 셀에 저장되도록 한다.A second example of the present invention discloses a method of storing one of a plurality of charge levels in a memory cell. The memory cell includes a source region, a drain region, a channel region, and a floating gate, wherein the floating gate includes first and second floating gate portions, the first floating gate portion extends over the channel region, and the second floating gate portion is a channel region. Extending away from the memory cell further includes a program gate and a control gate, the program gate forming a capacitor with the second floating gate portion. The method includes applying a low voltage to the control gate; Applying a voltage of 5 volts or less to the drain region; And applying to the program gate a high voltage pulse having a predetermined amplitude and a fixed time width selected from among the predetermined amplitudes determining the charge level. In addition, the method further includes capacitively coupling the high voltage pulse to the second floating gate portion to inject thermal electrons into the floating gate such that one of the plurality of charge levels is stored in the memory cell.
본원발명의 제3 예는 메모리 디바이스의 어레이에서 메모리 셀을 다른 전하 레벨로 프로그램함에 의해 유도된 전계 스트레스를 균일하게 하는 방법을 개시하고 있다. 이 방법은 어레이의 메모리 셀 각각의 제어 게이트에 저전압을 인가하는 단계; 어레이의 메모리 셀 각각의 드레인 영역에 5볼트 이하의 전압을 인가하는 단계; 및 어레이의 셀 각각의 프로그램 게이트에 소정 진폭 및 고정 시간 폭을 갖는 고전압 펄스를 인가하는 단계를 포함하며; 이후, 셀을 삭제하는 단계를 포함한다.A third example of the present invention discloses a method of equalizing the field stress induced by programming memory cells to different charge levels in an array of memory devices. The method includes applying a low voltage to the control gate of each of the memory cells of the array; Applying a voltage of 5 volts or less to the drain region of each of the memory cells of the array; And applying a high voltage pulse having a predetermined amplitude and a fixed time width to a program gate of each cell of the array; Thereafter, deleting the cell.
본원발명의 제4 예는 메모리 디바이스의 메모리 셀의 전하 레벨을 독출하는 방법을 개시하고 있다. 이 방법은 메모리 셀의 드레인 전류를 감지하는 단계; 다수 더미 셀의 드레인 전류를 감지하는 단계; 메모리 셀의 드레인 전류와 다수 더미 셀의 드레인 전류 사이의 유사성을 측정하여, 유사성을 나타내는 다수의 중간 전압을 얻는 단계; 중간 전압들 중에서 가장 높은 전압을 결정하여, 메모리 셀의 드레인 전류에 가장 가까운 드레인 전류를 갖는 더미 셀을 확인하는 단계; 및 확인단계에서 확인된 더미 셀에 부합하는 출력단자에 소정 전압을 설정하는 단계를 포함한다.A fourth example of the present invention discloses a method of reading the charge level of a memory cell of a memory device. The method includes sensing a drain current of the memory cell; Sensing drain current of the plurality of dummy cells; Measuring the similarity between the drain current of the memory cell and the drain current of the plurality of dummy cells to obtain a plurality of intermediate voltages representing the similarity; Determining the highest voltage among the intermediate voltages to identify a dummy cell having a drain current closest to the drain current of the memory cell; And setting a predetermined voltage to an output terminal corresponding to the dummy cell identified in the checking step.
본원발명의 제5 예는 메모리 셀의 전하 레벨을 독출하는 장치 또는 회로를 개시하고 있다. 이 장치는 다수의 기준 전류를 전달하는 다수의 더미 셀; 기준 전류 및 메모리 셀 전류를 독출하는 수단; 메모리 셀의 전류와 각 기준 전류 사이의 유사성을 측정하여, 유사성을 나타내는 다수의 중간 전압을 출력하는 다수의 아날로그 회로; 중간 전압들 중에서 가장 높은 전압을 결정하여 메모리 셀의 드레인 전류에 가장 가까운 드레인 전류를 갖는 더미 셀을 결정하고, 결정된 더미 셀에 부합하는 출력단자에 소정 전압을 설정하는 결정회로를 포함한다.A fifth example of the present invention discloses an apparatus or circuit for reading the charge level of a memory cell. The apparatus comprises a plurality of dummy cells carrying a plurality of reference currents; Means for reading a reference current and a memory cell current; A plurality of analog circuits measuring a similarity between the current of the memory cell and each reference current, and outputting a plurality of intermediate voltages representing the similarity; And a decision circuit for determining a dummy cell having a drain current closest to the drain current of the memory cell by determining the highest voltage among the intermediate voltages, and setting a predetermined voltage at an output terminal corresponding to the determined dummy cell.
본 발명의 목적은 3개 이상의 전하 레벨을 저장할 수 있는 메모리 셀을 갖는 메모리 디바이스를 개시하는 데 있다. 셀은 셀에서 단일 전하 레벨 주입 메커니즘을 포함하는 방법에 따라 프로그램될 수 있다. 이 방법은 프로그램 확인 구조를 필요로하지 않으며, 프로그램 속도를 증가시키고, 그리고 한 비트의 정보를 저장하는 데 필요한 영역을 감소시킨다. 프로그래밍 메커니즘의 속도는 종래 기술에 개시된 다른 멀티-레벨 프로그래밍 메커니즘보다 적어도 2차수 크기만큼 더 빠르다. 본 발명의 메모리 디바이스는 정보 쓰기 수단, 정보 삭제수단 및 정보 독출수단을 더 포함한다.It is an object of the present invention to disclose a memory device having a memory cell capable of storing three or more charge levels. The cell can be programmed according to a method comprising a single charge level injection mechanism in the cell. This method does not require a program verification structure, increases the program speed, and reduces the area required to store one bit of information. The speed of the programming mechanism is at least two orders of magnitude faster than other multi-level programming mechanisms disclosed in the prior art. The memory device of the present invention further includes information writing means, information deleting means and information reading means.
개시의 목적상, 메모리 디바이스의 구현 및 메모리 디바이스에 데이터를 저장하는 방법은 2n개의 다른 임계전압 레벨이 저장될 수 있는 경우에 대해 n=2인 경우에 대해 개시한다. 본 발명의 개시에 따르면, n>2 인 경우에 대해 다른 실시예들이 당업자에 의해 구현될 수 있으며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위로 결정된다.For purposes of the disclosure, the implementation of the memory device and the method of storing data in the memory device disclose for the case where n = 2 for the case where 2 n different threshold voltage levels can be stored. According to the present disclosure, other embodiments may be implemented by those skilled in the art for the case of n> 2, and the scope of the present invention is determined by the appended claims.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메모리 디바이스의 메모리 셀을 도시하고 있다. 메모리 셀은 실리콘 기판에 구현된 플래시 EEPROM 셀 구조이며, 소스 영역(1), 드레인 영역(2) 및 이들 사이의 채널 영역(3)을 갖는다. 메모리 셀은 플로팅 게이트(4)를 갖는다. 플로팅 게이트는 제1 및 제2 플로팅 게이트부를 가지며, 제1 플로팅 게이트부는 사이에 박막 산화물층을 가지면서 채널 영역(3) 위에 연장되며, 제2 플로팅 게이트부는 채널 영역에서 떨어져 연장된다. 메모리 셀은 프로그램 게이트(6) 및 제어 게이트(5)를 갖는다. 프로그램 게이트(6)는 제2 플로팅 게이트부와 커패시터를 형성하며, 제어 게이트는 제1 플로팅 게이트부 위에 연장된다. 프로그램 게이트(6)는 플로팅 게이트(4)와 커패시터를 형성하며, 이때 약 50% 이상의 결합비를 갖는다. 유전층은 프로그램 게이트와 플로팅 게이트 사이에, 그리고 제어 게이트와 플로팅 게이트 사이에 존재한다. 메모리 셀의 구조 및 가능한 프로그래밍 메커니즘이 미국특허번호 5,583,811, 미국특허번호 5,583,810 및 유럽특허번호 0,501,941에 상세하게 개시되어 있다. 이들의 개시 내용을 여기에 인용한다. 이 메모리 셀은 3㎛, 1.2㎛, 0.7㎛, 0.5㎛, 0.35㎛, 0.25㎛, 0.18㎛, 또는 0.12㎛의 CMOS 실리콘 기술에서, 또는 트랜지스터의 레이아웃 규칙 및 특성 디멘션을 갖는 다른 CMOS 기술에서 구현될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메모리 셀은 0.7㎛ CMOS 기술에서 구현될 때 폴리실리콘 물질로 된 플로팅 게이트(4), 프로그램 게이트(6) 및 제어 게이트(5)를 가질 수 있다. 유전층은 25-30 ㎚ 두께를 갖는 산화물층이다. 박막 산화물층은 7-9 ㎚ 두께를 갖는다. 플로팅 게이트 길이 및 제어 게이트 길이는 0.7 ㎛, 메모리 셀의 폭은 1.8 ㎛이다.1 illustrates a memory cell of a memory device according to a preferred embodiment of the present invention. The memory cell is a flash EEPROM cell structure implemented in a silicon substrate and has a source region 1, a drain region 2, and a channel region 3 therebetween. The memory cell has a floating gate 4. The floating gate has first and second floating gate portions, the first floating gate portion extending over the channel region 3 with a thin film oxide layer therebetween, and the second floating gate portion extending away from the channel region. The memory cell has a program gate 6 and a control gate 5. The program gate 6 forms a capacitor with the second floating gate portion, and the control gate extends over the first floating gate portion. The program gate 6 forms a capacitor with the floating gate 4 with a coupling ratio of at least about 50%. The dielectric layer is present between the program gate and the floating gate, and between the control gate and the floating gate. The structure of memory cells and possible programming mechanisms are described in detail in US Pat. No. 5,583,811, US Pat. No. 5,583,810, and European Patent No. 0,501,941. The disclosures thereof are cited here. This memory cell can be implemented in CMOS silicon technology of 3 μm, 1.2 μm, 0.7 μm, 0.5 μm, 0.35 μm, 0.25 μm, 0.18 μm, or 0.12 μm, or in other CMOS technologies with the layout rules and characteristic dimensions of transistors. Can be. A memory cell according to a preferred embodiment of the present invention may have a floating gate 4, a program gate 6, and a control gate 5 of polysilicon material when implemented in a 0.7 μm CMOS technology. The dielectric layer is an oxide layer having a thickness of 25-30 nm. The thin film oxide layer has a thickness of 7-9 nm. The floating gate length and the control gate length are 0.7 mu m and the width of the memory cell is 1.8 mu m.
메모리 디바이스는 위에서 상술한 바와 같은 셀의 어레이를 포함한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 어레이(11)를 구성을 도시하고 있다. 어레이는 전술한 바와 같이 각각 어드레스 가능한 EEPROM 셀(10)의 기하학적 구성이다. 메모리 셀은 제어 게이트(4), 프로그램 게이트(6), 드레인 게이트(2) 및 소스 영역(1)을 갖는다. 어레이에서 모든 셀의 소스(1)는 그라운드되므로 도 2에서 도시되고 있지 않다. 메모리 어레이(11)는 m 로우 및 z 칼럼으로 배열된다. 각 셀은 하나의 칼럼 및 하나의 로우에만 소속된다. 각 로우의 마지막 4개 셀은 더미 셀로서 메모리 디바이스의 독출 동작시 기준으로 사용된다. 각 로우를 따라, 워드 라인이 로우에서 셀의 모든 제어 게이트(5)에 연결된다. 각 칼럼을 따라, 출력 비트라인이 셀의 모든 드레인(2)에 연결된다. 입력 비트라인은 칼럼에서 셀의 모든 프로그램 게이트(6)에 연결된다. 프로그램 게이트(6)는 드레인 영역(2)과 동일 방향으로 루트된다. 제어 게이트(5)는 프로그램 게이트의 하나와 드레인에 의해 결정되는 방향에 수직으로 루트된다. 프로그램 게이트는 멀티레벨 어레이에서 드레인 영역에 병렬로 루트되어야 한다. 한편 이진 어레이에서, 프로그램 게이트는 수평으로 루트되어야 한다. 본원에 개시된 전압가변 소스측 주입(VVSSI) 멀티레벨 프로그래밍 방법에서 셀로 프로그램되는 데이터는 프로그램 게이트에 인가되고 셀로부터 독출되는 데이터는 드레인으로부터 감지되므로, 셀의 드레인 및 프로그램 게이트는 각 셀의 개별 프로그래밍 및 독출을 가능하게 하기 위하여 동일 방향으로 루트되어야 한다. 이러한 멀티레벨 플래시 EEPROM 어레이에는 2개의 비트라인이 있다. 출력 비트라인은 셀로부터 전하 저장 레벨을 독출하는 데 사용되고, 입력 비트라인은 셀로 전하 저장 레벨을 프로그램하는 데 사용된다.The memory device includes an array of cells as described above above. 2 shows a configuration of an array 11 according to an embodiment of the present invention. The array is the geometry of the EEPROM cells 10 each addressable as described above. The memory cell has a control gate 4, a program gate 6, a drain gate 2, and a source region 1. The source 1 of all cells in the array is grounded and therefore not shown in FIG. 2. The memory array 11 is arranged in m rows and z columns. Each cell belongs to only one column and one row. The last four cells of each row are dummy cells and are used as a reference during a read operation of the memory device. Along each row, a word line is connected to all control gates 5 of the cell in the row. Along each column, an output bit line is connected to all drains 2 of the cell. The input bit line is connected to every program gate 6 of the cell in the column. The program gate 6 is routed in the same direction as the drain region 2. The control gate 5 is routed perpendicular to the direction determined by one of the program gates and the drain. The program gate must be routed in parallel to the drain region in the multilevel array. On the other hand, in a binary array, the program gate must be routed horizontally. In the voltage-variable source-side injection (VVSSI) multilevel programming method disclosed herein, the data programmed into the cell is applied to the program gate and the data read from the cell is sensed from the drain, so that the drain and program gate of the cell are individually programmed and It must be routed in the same direction to enable reading. There are two bit lines in this multilevel flash EEPROM array. The output bitline is used to read the charge storage level from the cell and the input bitline is used to program the charge storage level into the cell.
본 발명의 제1 예는 메모리 셀에서 다수의 전하 레벨 중 하나를 저장하는 방법에 관한 것이다. 종래의 멀티레벨 전하 저장용 메모리 셀과 본 발명의 메모리 셀 구조의 차이는 종래 메모리 셀이 FNT(Fowler Nordheim Tunneling) 또는 CHE(Channel Hot Electron) 주입에 기반한 프로그래밍 구조를 필요로함에 반하여 본원 메모리 셀은 VVSSI(Voltage Variant Source Side Injection) 프로그래밍 방법을 이용한다. 이러한 새로운 프로그램 방법은 메모리 셀의 소스측 주입(SSI) 프로그램 방법에 기초한다. 멀티레벨 전하 저장 레벨의 각각은 EEPROM 메모리 셀의 플로팅 게이트(4)로 저장되는 특정 임계전압에 부합한다. 메모리 셀의 임계전압은 고정된 제어 게이트 전압과 드레인 영역 전압에서 1㎂의 드레인 전류를 얻기 위하여 프로그램 게이트(6)에 인가되어야 할 전압으로 정의된다. 이 정의는 디바이스의 임계전압이 제어 게이트에서 정의되는 다른 비활성 메모리 셀들과 다르다.A first example of the invention relates to a method of storing one of a plurality of charge levels in a memory cell. The difference between the conventional multilevel charge storage memory cell and the memory cell structure of the present invention is that the conventional memory cell requires a programming structure based on Fowler Nordheim Tunneling (FNT) or Channel Hot Electron (CHE) injection. Voltage Variant Source Side Injection (VVSSI) programming method is used. This new programming method is based on the source side injection (SSI) programming method of memory cells. Each of the multilevel charge storage levels corresponds to a particular threshold voltage stored in the floating gate 4 of the EEPROM memory cell. The threshold voltage of the memory cell is defined as the voltage to be applied to the program gate 6 to obtain a drain current of 1 mA at a fixed control gate voltage and drain region voltage. This definition differs from other inactive memory cells in which the threshold voltage of the device is defined at the control gate.
SSI 프로그램 방법은 고전압을 프로그램 게이트(6)에 인가하며, 고전압을 플로팅 게이트(4)에 용량적으로 결합하고, 저전압은 제어 게이트(5)에 인가하고 5볼트 이하의 전압을 드레인 영역에 인가함으로써, 메모리 셀을 프로그래밍 하는 동안 플로팅 게이트(4) 쪽으로 대단히 높은 열전자가 주입되게 한다. VVSSI 멀티레벨 전하 레벨 프로그래밍은 단일 프로그래밍 펄스(VPG)를 셀의 프로그램 게이트(6)에 인가하는 단계를 포함하며, 이때 드레인 영역(2) 및 제어 게이트(4)는 테이블 1의 조건에 따른 일정 바이어스(VD및 VCG)로 유지된다. 메모리 셀의 프로그램 게이트(6)에 인가되는 프로그래밍 펄스는 프로그램되는 전하 레벨에 관계없이 약 1마이크로초의 폭(T)을 가지며, 반면에 진폭은 프로그램되는 전하 레벨에 관계된다. 프로그래밍 펄스의 진폭은 볼트(V)로 주어진다.The SSI program method applies a high voltage to the program gate 6, capacitively couples the high voltage to the floating gate 4, applies a low voltage to the control gate 5 and applies a voltage of 5 volts or less to the drain region. This allows very high hot electrons to be injected into the floating gate 4 during programming of the memory cell. VVSSI multilevel charge level programming includes applying a single programming pulse (V PG ) to the cell's program gate 6, where the drain region 2 and the control gate 4 are constant according to the conditions of Table 1. Are maintained at bias V D and V CG . The programming pulse applied to the program gate 6 of the memory cell has a width T of about 1 microsecond regardless of the charge level being programmed, while the amplitude is related to the charge level being programmed. The amplitude of the programming pulse is given in volts (V).
테이블 1 : 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 멀티-레벨 전하 저장 프로그램 방법의 동작 조건.Table 1: Operating conditions of the multi-level charge storage program method according to a preferred embodiment of the present invention.
테이블 1에 주어진 값은 0.7㎛ CMOS 기술에서 바람직한 실시예의 메모리 셀의 구현에 관한 것이다. 테이블 1에 보인 바와 같이, VD(즉 5볼트)값은 0.7㎛ CMOS 기술의 파워서플라이 전압값이다. 파워서플라이 전압이 전술한 다른 CMOS 기술에 대해 감소되는 경우(예를 들어, 0.35㎛ CMOS 기술에서 3.3볼트), 테이블 1에 보인 다른 전압값은 다음과 같이 변경되어야 한다. VD는 파워서플라이 전압으로 감소되고, 다른 VPG전압은 파워서플라이가 감소되는 양의 거의 두배 만큼인 삭제로서 감소되며, VCG는 0.5-1.3 볼트로 된다. 0.7㎛ CMOS 기술에 대한 VCG는 1.5 내지 1볼트 또는 더 낮은 범위일 수 있다. 예를 들어, 5 내지 3.3볼트 크기의 서플라이 전압의 경우, VD는 다른 전하 저장 레벨에 대해 3.3볼트, VPG는 약 9볼트, 6볼트, 5볼트 및 0볼트이다. 0.7㎛ CMOS 기술에 대해, 테이블 1에 보인 VPG전압은 달라질 수 있다. 다른 전하 저장 레벨에 대해 10볼트, 8볼트, 6볼트 및 0볼트와 같은 프로그래밍 전압 세트가 사용될 수 있다. 테이블 1에 주어진 프로그래밍 전압의 세트는 프로그래밍 속도 요구와 프로그램된 전하 레벨의 정확도 사이의 타협물이다. 1마이크로초 이상의 프로그래밍 펄스(VPG)의 펄스폭을 취하는 것은 모든 레벨이 각 프로그래밍 특성의 포화영역에서 취해지게 한다. 그러므로, 1마이크로초의 펄스폭은 VVSSI에 대해서 적절하다. 메모리 셀의 프로그래밍 특성은 프로그래밍 시간에 대한 메모리 셀의 임계전압의 시프트로 정의된다. 펄스의 시간 폭에 관한 한, CMOS 기술 및 파워서플라이의 축소와 거의 동일하다. 이는 하나의 확실한 이점이다. 왜냐하면, EEPROM 메모리 디바이스에 기반한 다음 세대 VVSSI가 0.7㎛ CMOS 기술에서의 실시예와 비교하여 영역에서는 저 작지만 속도에 있어서는 느리지 않기 때문이다.The values given in Table 1 relate to the implementation of the memory cell of the preferred embodiment in a 0.7 μm CMOS technology. As shown in Table 1, the V D (i.e. 5 volts) value is the power supply voltage value of the 0.7 μm CMOS technology. If the power supply voltage is reduced for the other CMOS technologies described above (e.g. 3.3 volts in 0.35 um CMOS technology), the other voltage values shown in Table 1 should be changed as follows. V D is reduced to the power supply voltage, other V PG voltages are reduced as elimination by almost twice the amount that the power supply is reduced, and V CG is 0.5-1.3 volts. V CG for 0.7 μm CMOS technology may range from 1.5 to 1 volt or lower. For example, for a supply voltage of 5 to 3.3 volts, V D is 3.3 volts for different charge storage levels, and V PG is about 9 volts, 6 volts, 5 volts and 0 volts. For 0.7 μm CMOS technology, the V PG voltage shown in Table 1 may vary. Programming voltage sets such as 10 volts, 8 volts, 6 volts and 0 volts can be used for other charge storage levels. The set of programming voltages given in Table 1 is a compromise between programming speed requirements and the accuracy of the programmed charge levels. Taking the pulse width of one or more microseconds of programming pulses (V PG ) causes all levels to be taken in the saturation region of each programming characteristic. Therefore, a pulse width of 1 microsecond is appropriate for VVSSI. The programming characteristic of a memory cell is defined as the shift of the threshold voltage of the memory cell relative to the programming time. As far as the time span of a pulse is concerned, it is almost the same as shrinking CMOS technology and power supplies. This is one obvious advantage. This is because the next generation VVSSI based on EEPROM memory devices is small in area but not slow in speed compared to the embodiment in the 0.7 μm CMOS technology.
메모리 셀에 다수의 전하 레벨 중 하나를 저장하는 방법은 하나의 1마이크로초 프로그래밍 펄스를 이용하며, 프로그램된 전하 저장 레벨의 정확도를 확인하는 프로그램 확인 구조를 필요로하지 않는다. 프로그램 퍼포먼스, 정보 식별 및 지속 특성에 대한 성능을 상세히 설명한다. 프로그램 메커니즘의 속도는 예를 들어 엠.오카와(M. Ohkawa)등의 "FN-NOR 타입 4-레벨 셀을 갖는 98㎟ 64Mb 플래시 메모리"(ISSCC 96, TP 2.3, pg.36)에서와 같은 종래 기술에서 개시된 FNT에 기반한 다른 멀티-레벨 프로그래밍 메커니즘보다 적어도 2차수 크기만큼 더 빠르다. CHE와 비교하여 VVSSI의 주요 이점은 훨씬 더 큰 전류 윈도우이다.The method of storing one of a plurality of charge levels in a memory cell utilizes one one microsecond programming pulse and does not require a program verification structure to verify the accuracy of the programmed charge storage level. It details the performance of program performance, information identification, and persistence characteristics. The speed of the program mechanism is conventional, for example, as in M. Ohkawa et al. "98 mm2 64 Mb flash memory with FN-NOR type four-level cells" (ISSCC 96, TP 2.3, pg.36). It is at least two orders of magnitude faster than other multi-level programming mechanisms based on the FNT disclosed in the art. The main advantage of VVSSI over CHE is a much larger current window.
0.7㎛ CMOS 기술에서 6인치 실리콘 웨이퍼로 제조된 EEPROM 메모리 셀 중 40개는 테이블 1에 언급된 조건에 따라 4레벨로 프로그램된다. 임계전압(VT)과 독출 전류(ID)로 이러한 레벨의 분산가 측정되어, 도 3에 도시되어 있다. 도 3에는 평균값(X)이 도시되어 있고, 각 분산에 대한 표준 편차(s)가 도시되어 있다. 셀은 테이블 1에 도시된 독출 조건에 따라 측정된다. 분산은 좁으며 서로 분리되어 있음은 자명하다. 이와 같이, 본 발명에 따라 다수의 전하레벨 중 하나를 저장하는 방법은 프로그램된 전하저장 레벨의 정확도를 확인하는 프로그램 확인 구조를 필요로하지 않는다.Forty EEPROM memory cells fabricated from 6-inch silicon wafers in 0.7 μm CMOS technology are programmed to four levels according to the conditions mentioned in Table 1. This level of dispersion is measured with threshold voltage V T and read current I D , and is shown in FIG. 3. 3 shows the mean value X and the standard deviation s for each variance. The cell is measured according to the read conditions shown in Table 1. It is obvious that the variance is narrow and separated from each other. As such, the method of storing one of a plurality of charge levels in accordance with the present invention does not require a program verification structure to verify the accuracy of the programmed charge storage level.
시간 폭은 같지만 진폭이 다른 프로그래밍 펄스의 이점은 모든 레벨이 각 프로그래밍 특성의 동일 영역에 위치되는 방식으로 펄스폭이 선택될 수 있다는 점이다. 사실, 이러한 특정 경우에 있어서, 1마이크로초는 도 4에서 이해될 수 있는 바와 같은 일시적 특성의 포화 영역에서 모든 레벨이 종결되는 데 필요한 최소 시간이다.The advantage of programming pulses of the same time width but different amplitudes is that the pulse width can be selected in such a way that all levels are located in the same region of each programming characteristic. In fact, in this particular case, one microsecond is the minimum time required for all levels to be terminated in the saturation region of the transient characteristic as can be understood in FIG. 4.
본 발명의 MLCS 방법에 따라 EEPROM 메모리 셀을 프로그램하기 위하여, 메모리 셀이 미리 삭제된다. 테이블 1에 언급된 레벨 0은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 EEPROM 메모리 셀의 삭제된 상태이다. 한편, 테이블 1의 로직 레벨(1, 2 및 3)에 따른 VVSSI 프로그래밍 펄스는 프로그래밍 펄스의 진폭에 비례하는 전하량을 플로팅 게이트에 주입함으로써 메모리 셀의 플로팅 게이트의 임계전압을 시프트 시키며, 한편 레벨(0)에 따른 프로그래밍 펄스는 펄스의 진폭이 제로이므로 임계전압을 시프트 시키지 않는다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 EEPROM 메모리 셀을 삭제하기 위하여, 다음의 2가지 단계를 포함하는 방법이 도입된다:In order to program the EEPROM memory cells according to the MLCS method of the present invention, the memory cells are deleted beforehand. Level 0 mentioned in Table 1 is an erased state of an EEPROM memory cell according to a preferred embodiment of the present invention. On the other hand, the VVSSI programming pulse according to the logic levels 1, 2 and 3 of Table 1 shifts the threshold voltage of the floating gate of the memory cell by injecting an amount of charge proportional to the amplitude of the programming pulse into the floating gate, while level (0) Programming pulse does not shift the threshold voltage because the amplitude of the pulse is zero. In order to delete an EEPROM memory cell according to a preferred embodiment of the present invention, a method comprising the following two steps is introduced:
(1)본 발명의 바람직한 실시예에 따른 EEPROM 메모리 셀에 전치-삭제 프로그래밍 펄스를 인가한다.(1) A pre-erase programming pulse is applied to an EEPROM memory cell according to a preferred embodiment of the present invention.
(2)삭제 펄스가 EEPROM 메모리 셀에 인가된다. 삭제 펄스는 다른 방식으로 인가될 수 있다.(2) The erase pulse is applied to the EEPROM memory cell. The erase pulse can be applied in other ways.
먼저, 전치-삭제 펄스를 인가하는 방법을 설명한다. 순환의 영향을 최소화하기 위하여, 디바이스의 전계유도 스트레스는 가능한 한 균일하게 유지되어야 한다. 불행하게도 멀티레벨 메모리 디바이스에서, 이 스트레스는 디바이스에 저장된 데이터의 함수이다. 예를 들어, 레벨(3)에 10번 프로그램된 메모리 셀에서 만들어지는 스트레스는 레벨(0)에 9번 및 레벨(1)에 1번 프로그램된 다른 메모리 셀에서의 스트레스보다 훨씬 더 높다. 이러한 스트레스의 불균일한 성질은 독출전류의 예기치 않은 시프트를 가져오며, 이는 메모리 디바이스의 전하저장 레벨 식별 능력을 크게 손상시킨다. 이 문제는 삭제 동작 이전에 추가적인 쓰기 펄스를 인가함으로써 극복될 수 있다. 도 4에 도시된 SSI의 순간 특성에서 이해할 수 있는 바와 같이, 가장 높은 전압(12볼트)의 10마이크로초 전치-삭제 프로그래밍 펄스는 모든 다바이스를 삭제 동작 이전에 동일한 높이의 상태(VT)로 만들며, 이는 셀 내에 저장된 초기 VT와 무관하다.First, a method of applying a pre-erase pulse will be described. In order to minimize the effects of circulation, the field induced stress of the device should be kept as uniform as possible. Unfortunately in multilevel memory devices, this stress is a function of the data stored in the device. For example, the stress produced in a memory cell programmed 10 times in level 3 is much higher than the stress in other memory cells programmed 9 in level 0 and 1 in level 1. This uneven nature of stress results in an unexpected shift in read current, which greatly impairs the charge storage level identification capability of the memory device. This problem can be overcome by applying an additional write pulse prior to the erase operation. As can be understood from the instantaneous nature of the SSI shown in Figure 4, the highest voltage (12 volts) 10 microsecond pre-erase programming pulse puts all devices into the same state (V T ) prior to the erase operation. This is independent of the initial V T stored in the cell.
두 번째로, EEPROM 메모리 디바이스에 삭제 펄스를 인가하는 방법을 설명한다. 다음의 옵션이 선택될 수 있다. 삭제가 다른 방식으로 수행될 수 있다:Second, a method of applying an erase pulse to an EEPROM memory device is described. The following options can be selected. Deletion can be done in other ways:
1) 플로팅 게이트에서 드레인 접합으로 전자가 Fowler-Nordheim 터널링하는 것은 플로팅 게이트에 음의 고전압(-10 내지 -12 볼트)을 인가함으로써 액티브되며, 한편 서플라이 전압(5볼트)은 드레인에 인가된다. 이러한 삭제 모드에서, 제어 게이트는 그라운드 상태로 유지되며, 이는 드레인 대 플로팅 게이트 오버랩에서 터널링 필드를 최대로 하기 위한 것이다. 소스 접합에 인가된 전위는 삭제 동안은 중요하지 않다.1) The Fowler-Nordheim tunneling of electrons from the floating gate to the drain junction is activated by applying a negative high voltage (-10 to -12 volts) to the floating gate, while the supply voltage (5 volts) is applied to the drain. In this erase mode, the control gate remains grounded, to maximize the tunneling field at drain to floating gate overlap. The potential applied to the source junction is not critical during deletion.
2) 메모리 디바이스 섹터의 워드라인 및 프로그램 라인이 삭제 동안 연결된다면, 더 낮은 게이트 전압으로도 충분하다(보통 -7 내지 -8볼트). 기생의 제어 게이트 대 플로팅 게이트 커패시턴스는 터널 산화물 양단의 전계를 보다 강화하는 데 사용된다. 이 경우, 삭제 메커니즘은 이전 경우에서와 본질적으로 동일하지만, 필요한 음전압은 추가적 스위칭 회로를 희생시켜 더 낮아진다.2) If the word lines and program lines of the memory device sector are connected during erase, a lower gate voltage is sufficient (usually -7 to -8 volts). Parasitic control gate to floating gate capacitance is used to further enhance the electric field across the tunnel oxide. In this case, the erasing mechanism is essentially the same as in the previous case, but the required negative voltage is lowered at the expense of additional switching circuitry.
3) 다른 가능한 삭제 구조는 채널 삭제 메커니즘으로 제공된다. 이 경우, 음전압이 프로그램 라인에 인가되며, 결국 서플라이 전압과 결합되어 메모리 어레이의 기판(또는 p-웰)에 인가된다. 이 경우, 쓰기/삭제 사이클 이후 산화물 스트레스 및 프로그래밍 윈도우 폐쇄의 관점에서 유익한 터널 산화물 영역에서 균일한 삭제 전류가 얻어진다. 이 구조의 주요 이점은 드레인 접합에서 기판이나 웰로의 밴드 대 밴드 터널링 전류가 없다는 점이다.3) Another possible deletion scheme is provided by the channel deletion mechanism. In this case, a negative voltage is applied to the program line, which in turn is coupled with the supply voltage to the substrate (or p-well) of the memory array. In this case, a uniform erase current is obtained in the tunnel oxide region which is beneficial in terms of oxide stress and programming window closure after the write / erase cycle. The main advantage of this structure is that there is no band-to-band tunneling current from the drain junction to the substrate or well.
4) 또다른 가능한 삭제 메커니즘은 플로팅 게이트에서 제어 게이트로의 폴리산화물 유도이며, 이는 양의 고전압을 제어 게이트에 인가함으로써 달성될 수 있다. 이는 셀 설계에 대한 어떠한 변화도 없이도 가능하다. 이러한 삭제 구조는 미국특허공보 5,583,810에도 개시되어 있다.4) Another possible erasure mechanism is polyoxide induction from the floating gate to the control gate, which can be achieved by applying a positive high voltage to the control gate. This is possible without any change to the cell design. Such a deletion structure is also disclosed in US Pat. No. 5,583,810.
가능한 삭제 모드가 테이블 2에 요약되어 있다.Possible deletion modes are summarized in Table 2.
테이블 2 : SSI 쓰기 모드 및 다른 삭제 모드에서 메모리 셀에 대한 전형적인 동작 전압Table 2: Typical Operating Voltages for Memory Cells in SSI Write and Other Erase Modes
독출 아키텍쳐Read architecture
종래 멀티-레벨 메모리 디바이스는 도 5의 것과 유사한 메모리 셀에 저장된 정보를 읽어내는 병렬 아키텍쳐에 의존한다. 메모리 셀 독출 전류(IC)는 3개의 기준 전류와 병렬로 비교되며, 이는 2개의 인접한 로직 레벨에 부합하는 전류의 평균으로 선택된다. 각 비교기(37)는 2비트 정보가 얻어지는 디코더(38)에 공급되는 이진 출력을 생성한다. 비교기(37)의 상당한 영역 비용으로 인하여, 이 아키텍쳐는 메모리 디바이스의 둘레를 지나치게 증가시킨다. 사실, 0과 1을 분별하는 데 이용되는 비교기가 이진 메모리에서 간단하고 작기는 하지만(1비트 해상도), 보다 정확할 필요가 있는(8비트 해상도) MLCS 메모리 디바이스에서의 비교기는 상당한 영역을 차지한다. 게다가, 이 아키텍쳐는 독출전류, 처리변수, 방해 및 순환에 대한 웨이퍼 분산에 관계없이, 레벨(i)에 상응하는 독출전류는 항상 기준(i)보다 크고 기준(i-1)보다 작다는 가정에 기반하고 있다. 그렇지 않은 경우, 비교기는 스위치되며, 이는 저장된 전하레벨을 확인함에 있어 에러로 이어진다. 그러한 가정은 프로그래밍이 프로그램 확인 기술을 이용하여 이루어질 경우에만 행해진다. VVSSI 프로그램 방법은 프로그램 확인을 이용하지 않은 것에 적합하므로, 새로 맞추어 설계된 아키텍쳐가 개발되었다.Conventional multi-level memory devices rely on a parallel architecture for reading information stored in memory cells similar to that of FIG. The memory cell read current I C is compared in parallel with the three reference currents, which is selected as the average of the currents corresponding to two adjacent logic levels. Each comparator 37 produces a binary output which is fed to a decoder 38 from which two bits of information are obtained. Due to the significant area cost of comparator 37, this architecture excessively increases the perimeter of the memory device. In fact, while the comparator used to distinguish between zeros and ones is simple and small in binary memory (1 bit resolution), comparators in MLCS memory devices that need to be more accurate (8 bit resolution) take up a significant area. In addition, this architecture ensures that the read current corresponding to level (i) is always greater than reference (i) and less than reference (i-1), regardless of wafer dispersion for read currents, process variables, disturbances and circulation. It is based on the home. Otherwise, the comparator is switched, which leads to an error in verifying the stored charge level. Such assumptions are only made if programming is made using program verification techniques. Since the VVSSI program method is suitable for not using program verification, a newly designed architecture has been developed.
처리변수 및 순환의 영향을 최소화하기 위하여, 전술한 메모리 어레이의 각 로우에 4개의 더미 셀(D0, D1, D2 및 D3)이 제공된다. 이 더미 셀은 테이블 1에서 설명된 바와 같이 각각 레벨(0, 1, 2 및 3)로 프로그램되며, 독출 동작 동안 기준으로 이용된다.In order to minimize the effects of processing variables and circulation, four dummy cells D0, D1, D2 and D3 are provided in each row of the memory array described above. These dummy cells are programmed at levels 0, 1, 2 and 3, respectively, as described in Table 1 and used as reference during the read operation.
메모리 셀(10)이 읽어지고 있을 때, 그것의 독출전류 및 그 로우에서의 더미 셀(D0, D1, D2 및 D3)의 전류는 병렬로 감지된다. 감지 디바이스를 구현하는 방법은 공지되어 있다. 메모리 셀의 독출 전류(Idc)는 더미 셀의 전류 각각(Idx)과 비교되어 그것이 4개 전하 저장 레벨(0, 1, 2 및 3)중 어느 것에 속하는 지를 결정한다. 액세스 시간을 줄이기 위하여 이러한 비교를 병렬로 수행하기 위하여 전용 회로가 이용된다. 회로 동작 원리 및 블록도가 도 6 및 7에 각각 도시되어 있다. 멀티레벨 신호비교를 실현하기 위하여, 독출 전류와 더미 셀의 전류 각각의 차이가 도 7의 4개 서브회로(400, 401, 402 및 403)에 의해 측정된다. 이들 각각은 측정된 전류의 유사성에 비례하는 중간 출력 전압을 생성한다. 이 중간 출력 전압은 매칭-스코어(Matching-Score) 신호(MS)로 레이블된다. 4개의 MS는 도 6의 회로의 제2 단(500)에 공급된다. 이 서브-블록(500)은 4개 MS중 어느 것이 가장 높은 지를 결정하여 상응하는 출력단자(600, 601, 602 또는 603)를 고 디지털 상태로 만들며, 한편 다른 3개 출력은 낮은 디지털 상태로 남아있게 된다. 고 디지털 상태는 파워서플라이 전압과 같은 전압이며, 한편 낮은 디지털 상태는 그라운드이다.When memory cell 10 is being read, its read current and the current of dummy cells D0, D1, D2 and D3 in that row are sensed in parallel. Methods of implementing the sensing device are known. The read current I dc of the memory cell is compared with each of the currents I dx of the dummy cell to determine which of the four charge storage levels (0, 1, 2 and 3) it belongs to. Dedicated circuitry is used to perform these comparisons in parallel to reduce access time. The circuit operating principle and block diagram are shown in FIGS. 6 and 7, respectively. In order to realize the multilevel signal comparison, the difference between each of the read current and the dummy cell current is measured by the four subcircuits 400, 401, 402 and 403 of FIG. 7. Each of these produces an intermediate output voltage that is proportional to the similarity of the measured currents. This intermediate output voltage is labeled with a Matching-Score signal MS. Four MSs are supplied to the second stage 500 of the circuit of FIG. This sub-block 500 determines which of the four MSs is the highest to bring the corresponding output terminals 600, 601, 602 or 603 into a high digital state, while the other three outputs remain in a low digital state. Will be. The high digital state is the same voltage as the power supply voltage, while the low digital state is ground.
예로서, 서브회로(400)를 아래에 설명한다. 다른 서브회로(401,402 및 403)는 서브회로(400)와 유사하다. 서브회로(400, 401, 402 및 403)는 2개의 전류입력신호(Ic,Ix)를 입력받아, 2 입력전류 사이의 유사성에 비례하는 중간 전압출력신호(VMS)를 전달한다. 즉, 본 발명의 이 예에서 전류사이의 유클리드 차이가 적을수록 VMS는 더 높다. 당해분야에 알려진 1차원 유클리드 차이는 다음으로 표현된다;As an example, the subcircuit 400 is described below. The other subcircuits 401, 402 and 403 are similar to the subcircuit 400. The sub circuits 400, 401, 402 and 403 receive two current input signals I c and I x and transmit an intermediate voltage output signal V MS proportional to the similarity between the two input currents. In other words, the smaller the Euclidean difference between the currents in this example of the invention, the higher the V MS . One-dimensional Euclidean differences known in the art are represented by the following;
여기서, R 및 L은 2개의 일반적 1차원 벡터이며, VMS는 Dist의 단조 증가 함수이다. 실리콘에서 식(1)을 구현하기 위하여, 포화에서 롱 채널 MOSFET의 고유 제곱법칙이 이용된다:Where R and L are two general one-dimensional vectors, and V MS is a monotonically increasing function of Dist. To implement equation (1) in silicon, the inherent square law of the long channel MOSFET at saturation is used:
전압신호(R)를 MOS의 게이트에 인가하는 것은 간다하며, 공지된 기술이다. 그러나, 전압(L)을 소스에 인가하기 위하여, 소스 폴로워 구성에서의 제2 MOSFET은 구동 n-MOS 디바이스의 소스에 연결되어야 한다. 이러한 방식으로 식(R-L)2가 구현된다. 얻어진 전류(IM)는 제곱 루트 함수를 구현하는 다이오드 구성에서 p-MOS 디바이스에 인가된다.The application of the voltage signal R to the gate of the MOS is a well known technique. However, in order to apply voltage L to the source, the second MOSFET in the source follower configuration must be connected to the source of the driving n-MOS device. In this way, equation (RL) 2 is implemented. The resulting current I M is applied to the p-MOS device in a diode configuration that implements the square root function.
이러한 고려는 도 8의 서브회로로 이어지며, 이는 각각의 소스 폴로워(45, 42)를 갖는 한 쌍의 제1 구동 MOS트랜지스터를 포함하며 한 쌍의 제2 MOS트랜지스터를 포함하는 2개의 구동 n-MOS디바이스(43, 44), 제3 MOS트랜지스터를 포함하는 p-MOS 디바이스(47)에 연결된 다이오드 및 2개의 전류 대 전압 컨버터 n-MOS 디바이스(46, 41)를 포함한다.This consideration leads to the subcircuit of FIG. 8, which includes a pair of first drive MOS transistors with respective source followers 45 and 42 and two drive n comprising a pair of second MOS transistors. MOS devices 43 and 44, a diode connected to the p-MOS device 47 comprising a third MOS transistor and two current-to-voltage converter n-MOS devices 46 and 41.
제2 MOS트랜지스터 각각의 한 전극, 즉 소스나 드레인은 제1 구동 MOS트랜지스터 중 하나의 한 전극, 즉 소스나 드레인에 연결된다. 그래서, 제1 구동 MOS트랜지스터 중 하나는 제2 MOS트랜지스터의 하나와 연결된다. 제1 구동 MOS트랜지스터 및 제2 MOS트랜지스터의 게이트는 교차형 형태로 연결된다. 제1 구동 MOS트랜지스터 각각의 게이트는 제2 MOS트랜지스터 중 하나의 게이트에 연결되며, 제2 MOS트랜지스터는 제1 구동 MOS트랜지스터의 한 전극과 연결되지 않은 하나가 된다. 제3 MOS트랜지스터는 제1 구동 MOS트랜지스터의 다른 전극, 즉 소스나 드레인에 연결되고, 제1 구동 MOS트랜지스터의 전술한 다른 전극들은 연결되어 있다.One electrode of each of the second MOS transistors, that is, the source or the drain, is connected to one electrode of the first driving MOS transistor, that is, the source or the drain. Thus, one of the first driving MOS transistors is connected to one of the second MOS transistors. Gates of the first driving MOS transistor and the second MOS transistor are connected in a cross shape. A gate of each of the first driving MOS transistors is connected to one gate of the second MOS transistor, and the second MOS transistor is one that is not connected to one electrode of the first driving MOS transistor. The third MOS transistor is connected to another electrode of the first driving MOS transistor, that is, a source or a drain, and the other electrodes described above of the first driving MOS transistor are connected.
트랜지스터의 디멘션은 도면에 주어져 있다. 42 및 45는 43 및 44에 비해 5내지 50배의 애스팩트비(W/L)를 가지며, 그 이유는 이들이 구동 트랜지스터의 소스를 바이어스하는 데 이용되는 소스 폴로워 트랜지스터이기 때문이다. 그러나, 구동 트랜지스터에 대해 소스 폴로워가 넓으면 넓을수록, 소스가 게이트를 더 정확하게 따라간다. 정확도와 영역 소모 사이의 양호한 타협은 팩터 10임을 시뮬레이션이 보여주고 있다.The dimensions of the transistors are given in the figure. 42 and 45 have an aspect ratio (W / L) of 5 to 50 times that of 43 and 44 because they are the source follower transistors used to bias the source of the drive transistors. However, the wider the source follower for the drive transistor, the more accurately the source follows the gate. The simulation shows that a good compromise between accuracy and area consumption is factor 10.
트랜지스터(46, 41)는 IC및 IX를 VC및 VD로 각각 변환시킨다. IC가 IX보다 큰 경우, 44는 컷오프되며, 이는 소스 전압(VC)이 게이트 전압(VD)보다 높기 때문이다. 그러나, 43은 온상태이고 VC와 VD의 차이가 크면 클수록 드레인 전류는 더 크고 VMS는 더 작다. 반대로, IC가 IX보다 작은 경우, 43은 컷오프되고 44는 온상태가 된다.Transistors 46 and 41 convert I C and I X into V C and V D , respectively. If I C is greater than I X , 44 is cut off because the source voltage V C is higher than the gate voltage V D. However, 43 is on and the greater the difference between V C and V D, the larger the drain current and the smaller V MS . Conversely, if I C is less than I X , 43 is cut off and 44 is on.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제안된 서브회로(500)를 도시하고 있으며, 이는 트랜지스터로 구성되는 4개의 전류 n-MOS 컨베이어(50, 51, 52 및 53) 및 4개의 전류 비교기(56, 57, 58 및 59)를 포함한다. 서브회로는 전류 컨베이어의 게이트에서 입력 신호로서 더미 셀(D0, D1, D2 및 D3)로부터 4개의 VMS를 수신하여, 4개 이진 출력신호를 전달한다. 전류 컨베이어는 소스 노드(X)를 공통으로 하고, 동일한 바이어싱 전류(IB)로 바이어스된다. VMS가 컨베이어의 게이트에 인가될 때, 노드(X)는 가장 큰 입력 전압을 따르며, 다른 3개 컨베이어를 차단한다: 바이어싱 전류는 가장 큰 VMS를 갖는 컨베이어를 통해서만 흐른다. 가장 큰 VMS를 갖는 컨베이어만이 전류를 드라이브하며, 한편 다른 3개 컨베이어는 드라이브하지 않는다. 컨베이어 각각의 드레인은 컨베이어 상부에 위치한 전류 비교기의 트랜지스터(54)의 드레인에 연결된다. 종래 기술에 따라 구현된 전류 비교기는 컨베이어로부터의 전류를 바이어스 전류(IB/2)와 비교한다. 컨베이어로부터의 전류가 IB/2 보다 큰 경우, 비교기의 출력은 하이로 된다. 반대로, 컨베이어로부터의 전류가 바이어스 전류(IB/2) 보다 작은 경우, 비교기의 출력은 로우이다. 전류(IB)가 컨베이어의 하나 및 단지 하나에서 거의 전부 흐르므로, 전류 비교기의 단지 하나만이 자신을 출력을 하이 디지털 상태로 설정하며, 한편 다른 3개 전류 비교기는 그들의 출력을 로우 디지털 상태로 설정한다.9 shows a proposed subcircuit 500 in accordance with one embodiment of the present invention, which comprises four current n-MOS conveyors 50, 51, 52 and 53 and four current comparators (comprising transistors). 56, 57, 58, and 59). The sub-circuit receives four V MSs from the dummy cells D0, D1, D2 and D3 as input signals at the gate of the current conveyor and delivers four binary output signals. The current conveyor has a source node X in common and is biased with the same biasing current I B. When V MS is applied to the gate of the conveyor, node X follows the largest input voltage and blocks the other three conveyors: the biasing current flows only through the conveyor with the largest V MS . Only the conveyor with the largest V MS drives the current, while the other three conveyors do not. The drain of each conveyor is connected to the drain of transistor 54 of the current comparator located above the conveyor. A current comparator implemented according to the prior art compares the current from the conveyor with the bias current I B / 2. If the current from the conveyor is greater than I B / 2, the output of the comparator goes high. In contrast, when the current from the conveyor is smaller than the bias current I B / 2, the output of the comparator is low. Since current I B flows almost entirely on one and only one of the conveyors, only one of the current comparators sets themselves to a high digital state, while the other three current comparators set their outputs to a low digital state. do.
도 10에 도시된 바와 같이, 회로는 단지 140×100㎛2의 실리콘 영역에서 표준 이중-폴리실리콘 이중-메탈 0.7㎛ 프로세스로 집적되며, 널리 평가되었다. 단일 8비트 비교기를 구현하기 위한 실리콘 영역은 대략 70×50㎛2로 평가된다. 3개 비교기가 필요하므로, 도 5의 전형적 아키텍쳐는 적어도 210×150㎛2를 차지하며, 본 발명에서 제안된 것에 비해 거의 2.3배나 큰 레벨 확인 블록을 갖게 된다. 동일 영역에 대한 전력 소모에 대해, 그들은 상당한 전달 지연을 보여준다. 그러나, 여기에 제안된 회로에서, 회로 바이어싱 전류를 증가시키기만 함으로써 전달 지연을 상당히 감소시키는 것이 가능하다. 바이어싱 전류의 증가가 더 큰 오프셋 전압 및 더 낮은 정확도로 이어지는 표준적 비교기에서는 그렇게 간단하지 않다. 독출 속도 및 레벨 확인 회로는 메모리의 데이터 쓰루풋에 상당히 영향을 끼친다. 왜냐하면, 프로그램 확인 구조가 보통 MLCS에서 이용되기 때문이다.As shown in FIG. 10, the circuit is integrated in a standard double-polysilicon double-metal 0.7 μm process in the silicon region of only 140 × 100 μm 2 and has been widely evaluated. The silicon area for implementing a single 8-bit comparator is estimated to be approximately 70 × 50 μm 2 . Since three comparators are needed, the typical architecture of FIG. 5 occupies at least 210 × 150 μm 2 and has a level identification block that is nearly 2.3 times larger than that proposed in the present invention. For power consumption over the same area, they show a significant propagation delay. However, in the circuit proposed here, it is possible to significantly reduce the propagation delay by only increasing the circuit biasing current. The increase in biasing current is not so simple in standard comparators leading to greater offset voltages and lower accuracy. Read speed and level checking circuits significantly affect the data throughput of the memory. This is because the program verification structure is usually used in MLCS.
도 11은 25㎂의 기준 전류에서 스위핑 셀 전류의 함수로서 실험적으로 평가된 VMS를 도시하고 있으며, 예기한 바와 같이 전류가 일치하면 할수록 VMS는 더 높다. 도 12는 30, 80, 120 및 160㎂의 기준 전류에서 스위핑 셀 전류의 함수로서 독출 회로의 출력 전압을 실험적으로 도시하고 있다. 어떤 주어진 셀 전류값에 대하여 단지 하나의 출력 전압만이 높다.FIG. 11 shows V MS experimentally evaluated as a function of swept cell current at a reference current of 25 mA. As expected, the higher the current, the higher the V MS . 12 experimentally shows the output voltage of the readout circuit as a function of the swept cell current at reference currents of 30, 80, 120 and 160 mA. Only one output voltage is high for any given cell current value.
메모리 디바이스가 플래시 삭제될 때마다. 예를 들어 쓰기 동작 이전에, 그 특정 섹터에 속하는 더미 셀도 또한 삭제되어 기준 레벨로 재 프로그램된다. 이 기술은 더미 및 메모리 셀 모두가 동일한 듀티 사이클을 갖도록 하며, 그래서 동일한 전류 시프트를 이루도록 한다. 이는 독출 동안 더미와 메모리 셀을 비교할 때 사이클링으로 인한 전체 시프트가 없어짐을 의미한다. 각 워드라인에서 더미 셀을 반복하는 것은 고밀도 메모리에서 중요한 역할을 하는 다른 영향을 제거한다: 드레인 저항 영향. 드레인 라인의 저항적 성질로 인하여, 동일 칼럼에 속하는 셀의 독출 전류에 차이가 있다. 이러한 차이는, 서로 인접한 메모리 셀에 대해서 무시할 수 있다 하더라도, 멀리 떨어진 셀에 대해서는 상당히 크게 되며, 따라서 더미 셀이 독출되는 셀로서 동일 로우에 있지 않을 경우 고려되어서는 안된다. 그러한 아키텍쳐의 실리콘 영역의 관점에서 추가적 비용은 워드라인당 단지 4개 셀로 구성되어 있으므로 대단히 제한적이다.Every time a memory device is flash erased. For example, prior to a write operation, dummy cells belonging to that particular sector are also deleted and reprogrammed to the reference level. This technique allows both dummy and memory cells to have the same duty cycle, thus achieving the same current shift. This means that there is no overall shift due to cycling when comparing the dummy and memory cells during readout. Iterating the dummy cells on each wordline eliminates other influences that play an important role in high density memory: drain resistance effects. Due to the resistive nature of the drain line, there is a difference in the read current of the cells belonging to the same column. This difference, although negligible for memory cells that are adjacent to each other, becomes quite large for distant cells and therefore should not be considered unless the dummy cell is in the same row as the cell being read out. In terms of the silicon area of such architecture, the additional cost is very limited since it consists of only four cells per wordline.
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