闪存器件及其擦除方法与流程

文档序号:14680811发布日期:2018-06-12 22:13
闪存器件及其擦除方法与流程

本发明涉及一种半导体存储器件及其擦除方法,尤其涉及一种闪存器件及其擦除方法。



背景技术:

半导体存储器可分为易失性存储器和非易失性存储器两类,易失性存储器掉电后会失去记忆的数据,非易失性存储器即使在切断电源的情况下也可以保护数据。闪存器件是典型的非易失性存储器件。基于存储单元阵列的结构,闪存器件可以分为NOR闪存器件和NAND闪存器件。闪存单元的栅极具有包括隧道绝缘层、浮栅电极、电介质层和控制栅的结构。

在浮栅结构的闪存中,通过对浮栅电极注入或者释放电子来改变存储单元(例如MOS晶体管)的阈值电压,从而达到存储或释放数据的目的。在擦除过程中,对擦除电极施加高压,通过隧道效应将电子从浮栅电极吸出。在执行读取操作时,检测根据积累的浮栅电极上的电子量变化的存储单元(例如MOS晶体管)的阈值电压,通过检测到的阈值电压的电平读取数据。

闪存通常划分为多个区块(sector),每个区块包括一定数量的存储单元,对于一些大容量的闪存,还分为不同的bank,每个bank包括一定数量的sector。闪存的擦除操作一般都是以sector、bank或是整片闪存为单位的。

在对闪存(尤其是NOR闪存)进行写操作的时候,每个位(bit)可以通过编程由“1”变为“0”,但不可以由“0”修改为“1”。为了保证编程操作的正确性,在执行编程操作前,都要执行擦除操作。擦除操作会把闪存的一个sector、一个bank或是整片闪存的值全修改为“0xFF”。这样,写操作就可以正确完成。

然而,随着P/E(编程/擦除)循环次数的增加,一些电子会被隧道氧化层俘获。如图1(A)所示,在正常状态下,电子E储存在浮栅电极FG中。通过施加在控制栅极CG上的电压来控制浮栅电极FG的电子注入或者释放。然而,随着P/E循环次数的增加,如图1(B)所示,在擦除期间,隧道氧化层1会俘获一部分电子E,这些被俘获的电子E会增加后续隧穿的势垒并降低隧穿效率,导致单元的阈值电压增大,最终引起擦除效率降低甚至擦除失败。

同时,在将闪存应用于高速P/E的环境时,擦除的时间和电压通常固定。这就产生一个矛盾的设计,为了保证闪存能工作100K(1K=1000)或者更多次数的P/E循环,擦除电压不能太低,但是过高的擦除电压又会导致隧道氧化层俘获过多的电子,使得擦除效率和循环持久度降低。

为了应对这一情况,以往采用了Erase-retry(擦除再尝试)的方式。具体而言,在完成一个擦除脉冲后,整个区块会对每个存储单元做读值,来确认每个单元的阈值电压是否小于某一基准电压,如果有某个单元的阈值电压大于该基准电压,将会再次执行擦除动作,直到所有器件的阈值电压小于基准电压,擦除动作才结束。

图2是表示不同擦除电压下的擦除退化的曲线图,横坐标表示擦除电压(V),纵坐标反映擦除电压的分布情况。如图2所示,相较未进行过擦除的初始状态,在以11V或者12V的电压擦除100K次以后,阈值电压整体向右产生较大偏移,继续进行擦除所需的电压变得更高。而在采用Erase-retry方式后,如Retry_100K曲线所示,向右偏移的程度变小,换言之,能够抑制因隧道氧化层俘获电子引起的阈值电压增大。



技术实现要素:

发明所要解决的技术问题

如上所述,采用Erase-retry能够抑制阈值电压整体向右偏移的情况,但在该方式下,一旦有某个单元的阈值电压大于基准电压,则会再次执行擦除动作,直到所有器件的阈值电压小于基准电压,因此会有多次阈值电压确认(post-erase verify)和擦除脉冲(erase pulse),擦除速度受到限制。

本发明为了解决上述问题而完成,其目的在于,提供一种能具有良好的P/E持久度、使用寿命长且擦除速度快的闪存器件及其擦除方法。

解决技术问题所采用的技术手段

本发明的闪存器件包括:

多个存储单元,该多个存储单元被划分成多个区块;

多个计数器,该多个计数器分别对应于各个所述区块,用于对所述区块的擦除次数进行计数;以及

控制部,用于在对各个所述区块进行擦除操作时,从与所述区块相对应的计数器中读取该区块的擦除次数,并进一步获取与该擦除次数相对应的擦除操作参数,以读取到的擦除操作参数对该区块进行擦除操作,所述擦除操作参数包括擦除电压。

在本发明的至少一实施例中,预先制定有擦除次数-擦除操作参数映射表,该擦除次数-擦除操作参数映射表中存放有擦除次数与擦除操作参数的对应关系,根据该擦除次数-擦除操作参数映射表,获取与擦除次数相对应的擦除操作参数。

在本发明的至少一实施例中,所述擦除次数-擦除操作参数映射表中,所述擦除次数越多,所述擦除电压越高。

在本发明的至少一实施例中,所述擦除操作参数还包括擦除时间,所述擦除次数-擦除操作参数映射表中还存放有擦除次数与擦除时间的对应关系。

在本发明的至少一实施例中,根据各个所述区块中的存储单元的阈值电压,变更所述擦除次数-擦除电压映射表中擦除次数对应的擦除电压和/或擦除时间。

在本发明的至少一实施例中,各个所述区块共用所述擦除次数-擦除电压映射表;或者各个所述区块具有各自对应的擦除次数-擦除电压映射表;或者各个所述区块中的一部分区块共用所述擦除次数-擦除电压映射表。

在本发明的至少一实施例中,所述计数器分别由各个所述区块中的16位的存储区构成。

本发明闪存器件的擦除方法中,该闪存器件包括:多个存储单元,该多个存储单元被划分成多个区块;所述擦除方法包括:

读取当前区块对应的计数器的计数值,获得该当前区块的擦除次数;所述计数器用于对该当前区块的擦除次数进行计数;

根据所述计数器的计数值,获取与该擦除次数相对应的擦除操作参数,所述擦除操作参数包括擦除电压;

以所述擦除操作参数对该当前区块进行擦除操作。

在本发明的至少一实施例中,预先制定擦除次数-擦除操作参数映射表,该擦除次数-擦除操作参数映射表中存放有擦除次数与擦除操作参数的对应关系;根据该擦除次数-擦除操作参数映射表,获取与擦除次数相对应的擦除操作参数。

在本发明的至少一实施例中,所述擦除次数-擦除操作参数映射表中,所述擦除次数越多,所述擦除电压越高。

在本发明的至少一实施例中,所述擦除操作参数还包括擦除时间,所述擦除次数-擦除操作参数映射表中还存放有擦除次数与擦除时间的对应关系。

在本发明的至少一实施例中,在对当前区块进行擦除操作后,进一步根据该当前区块中的存储单元的阈值电压,判断该区块的擦除动作是否完成。

在本发明的至少一实施例中,在当前区块中的所有存储单元的阈值电压均小于参考电压时,完成该当前区块的擦除动作;否则执行调整步骤以获取新的擦除操作参数,以新的擦除操作参数对该当前区块进行擦除操作。

在本发明的至少一实施例中,所述调整步骤包括:提高所述擦除次数-擦除电压映射表中擦除次数对应的擦除电压,和/或延长所述擦除次数-擦除电压映射表中擦除次数对应的擦除时间。

在本发明的至少一实施例中,所述调整步骤包括:根据当前区块中的存储单元的阈值电压,增加所述计数器的计数值。

在本发明的至少一实施例中,各个所述区块共用所述擦除次数-擦除电压映射表;或者各个所述区块具有各自对应的擦除次数-擦除电压映射表;或者各个所述区块中的一部分区块共用所述擦除次数-擦除电压映射表。

发明效果

根据本发明的闪存器件及其擦除方法,通过对每个区块额外设置计数器来记录该区块的擦除次数,利用擦除次数-擦除电压映射表来针对不同的擦除次数分别采用相应的擦除电压。从而能够大幅减少甚至消除在阈值电压确认时、某个存储单元的阈值电压大于基准电压的情形,从而减少再擦除次数,进而减少擦除脉冲,最终能够提高擦除速度,并提高循环持久度。在擦除次数-擦除电压映射表参数设置合适的情况下,可以省略阈值电压确认步骤。

此外,由于擦除次数-擦除电压映射表的参数可变更,因此在执行阈值电压确认步骤的情况下,能够根据确认结果适当调整擦除次数-擦除电压映射表的参数以进一步减少擦除脉冲,能进一步提高擦除速度。

此外,在存在阈值电压大于参考电压的存储单元的情况下,也可以使该存储单元所在的区块中的擦除次数的计数值增加,使得增加后的计数值在擦除次数-擦除电压映射表中对应的擦除电压及/或擦除时间更大,从而在下一次擦除动作中能对该区块应用更高的擦除电压或擦除时间。

此外,在设置有多个擦除次数-擦除电压映射表的情况下,能针对不同区块分别调整擦除次数-擦除电压映射表,由此能够避免因个别区块的不正常阈值电压导致整体的擦除电压上调。

附图说明

图1(A)和图1(B)是表示隧道氧化层俘获电子的过程的示意图。

图2是示出擦除退化情况的曲线图。

图3是表示本发明实施方式的闪存器件的电路结构的示意图。

图4是表示本发明实施方式的闪存器件的擦除方法的一个例子的流程图。

图5是表示本发明实施方式的擦除次数-擦除电压映射表的示意图。

图6是表示本发明实施方式的擦除次数-擦除电压映射表的变形例的示意图。

图7是表示本发明实施方式的擦除次数-擦除电压映射表的变形例的示意图。

图8是表示本发明实施方式的闪存器件的擦除方法的变形例的流程图。

具体实施方式

下面,基于附图对本发明的闪存器件及其擦除方法的实施方式及其变形例进行说明,在各图中对相同或相当部件、部位标注相同标号来进行说明。

本发明的闪存器件可以是NAND闪存、NOR闪存、嵌入式闪存等。

图3是表示本发明实施方式的闪存器件的电路结构的示意图,图4是表示本发明实施方式的闪存器件的擦除方法的一个例子的流程图。本实施方式的闪存器件中,一个区块(sector)例如由64个(bit;位)存储单元构成。图中仅示出一个区块,但显然也可以包括多个区块。

本实施方式中,为了解决Erase-retry方式下会有多次阈值电压确认和擦除脉冲的问题,对每个区块额外设置一个计数器4,用以记录该区块的擦除次数。该计数器4例如可以由一个16位(bits)的数据存储区(word)构成。

此外,本实施方式的闪存器件还包括擦除次数-擦除电压映射表3以及控制部5。

擦除次数-擦除电压映射表3中预先存放有表示已擦除次数与合适的擦除操作参数、例如擦除电压的对应关系。总体而言,对于已擦除过的次数较多的区块,由于阈值电压增大,需要更大的擦除电压,而对于擦除次数相对较少的区块,则可以使用相对较小的擦除电压。这样可以防止对某一区块使用过大的擦除电压从而减缓其阈值电压变快的速度。

图5示出擦除次数-擦除电压映射表3的一个例子。参照该表可知,针对不同的擦除次数设置了相应的擦除电压。例如在闪存器件刚开始使用的初期(擦除次数约为0~30K次),擦除次数较低,此时隧道氧化层俘获的电子相对较少,因此阈值电压较低,使用较低的电压、例如16V即可完成擦除。随着P/E循环次数的增加,当擦除次数达到30K~70K时,隧道氧化层俘获的电子E增加,如图2所示,阈值电压分布曲线会逐渐向右偏移,所需的阈值电压也相应增加。此时采用高于16V、例如18V的擦除电压来进行擦除能获得最佳的擦除效率。进一步,当擦除次数达到70K~100K时,需要更高的擦除电压、例如21V。

控制部5在进行区块擦除操作(S1)时,对于每个区块分别读取该区块的计数器4中的计数值(擦除次数)(S2),然后从上述擦除次数-擦除电压映射表3中读取与该计数值相对应的擦除电压(S3)。之后,用读取到的擦除电压对该擦除区块进行擦除操作(S4)。此处,控制部5可以通过硬件实现,也可以通过计算机程序等软件方式来实现。

如此,针对不同的擦除次数分别设定相应的擦除电压。在采用Erase-retry方式的情况下,能够大幅减少甚至消除在阈值电压确认(post-erase verify)时、某个存储单元的阈值电压大于基准电压的情形,从而减少再擦除次数,进而减少擦除脉冲(erase pulse),能够提高擦除速度,并提高循环持久度。当然,在擦除次数-擦除电压映射表3参数设置合适的情况下,可以不再进行阈值电压确认。

在完成上述擦除操作后,即完成了对该区块的擦除动作(S5),再使对应的计数器4中的计数值自动加1,。之后跳至下一区块,重复上述步骤。

由此,在每个区块的已擦除次数不同的情况下,也能根据擦除次数-擦除电压映射表3针对各个区块分别选择相应的擦除电压。因此,能对每个区块选择最合适的擦除电压来进行擦除,从而能最大程度地抑制存储单元(晶体管)的阈值电压变大的情况,并能提高擦除速度。

在擦除次数-擦除电压映射表3设定恰当地情况下,可以省略阈值电压确认步骤,在从擦除次数-擦除电压映射表3中读取到擦除电压并以该擦除电压进行擦除动作后,该区块中的计数器的计数值自动加1。但本发明并不限于此,也可以在进行擦除动作后执行Erase-retry方式下的阈值电压确认步骤,以确认是否该区块中的所有存储单元(晶体管)的阈值电压均小于参考电压。在实际应用中,参考电压可以预先确定。在存储单元的控制栅极CG上施加该参考电压,然后读取存储单元的数据,如果为“0”,则判定该存储单元的阈值电压小于该参考电压,如果为“1”,则判定该存储单元的阈值电压大于该参考电压。

上述效果使得本发明的闪存器件尤其适用于要求高速高可靠性的MCU(Microcontroller Unit:微控制单元)等。

以上描述了本发明的一个实施方式,但技术人员可以在不脱离本发明主旨的前提下对本发明进行各种变更、组合。

例如,上述擦除次数-擦除电压映射表3中存放了擦除次数与擦除电压的对应关系,但也可以进一步存放擦除次数与其它擦除操作参数、例如擦除时间的关系。图6示出擦除次数-擦除电压映射表3的一个变形例。该擦除次数-擦除电压映射表3中,除了擦除电压以外,还规定了相应的擦除时间。

当然,擦除次数-擦除电压映射表3的参数可以变更。例如在将闪存器件应用于对擦除速度要求较高的场合时,可以如图6所示那样将产品寿命设定为100K次P/E循环,在擦除次数为0~30K时,擦除电压为16V,擦除时间为1ms,在擦除次数为30K~70K时,擦除电压为18V,擦除时间为1ms,在擦除次数为70~100K时,擦除电压为21V,擦除时间为1ms。而在将闪存器件应用于对可靠性要求较高的场合时,例如可以如图7所示,将产品寿命设定为200K次P/E循环,在擦除次数为0~30K时,擦除电压为相对较低的14V,擦除时间为1ms,在擦除次数为30~70K时,擦除电压为相对较低的15V,擦除时间为1ms,在擦除次数为70~100K时,擦除电压为相对较低的16V,擦除时间为1ms,在擦除次数为100~150K时,擦除电压为相对较低的17V,擦除时间为1ms,在擦除次数为150~200K时,擦除电压为相对较低的18V,擦除时间为1ms。如此,可以针对不同的应用场合和要求设定不同的参数。

以上示出了根据使用环境和要求变更擦除次数-擦除电压映射表3的参数的例子,但本发明并不限于此。例如,在进行擦除动作后也可以执行阈值电压确认步骤(S6),如判定为该区块中并非所有存储单元的阈值电压均小于参考电压,即存在阈值电压大于参考电压的存储单元,则可以对擦除次数-擦除电压映射表3的参数进行变更(S7)。图8示出该情况下的流程图。作为擦除次数-擦除电压映射表3的参数变更方式,例如可以适当提高擦除电压、擦除时间。另外,也可以不改变擦除次数-擦除电压映射表3的参数,而使该阈值电压大于基准阈值电压的存储单元所在区块的计数器4中的计数值额外增加,并可进一步使得增加后的计数值在擦除次数-擦除电压映射表3中对应的擦除电压及/或擦除时间更大。之后重新读取计数器4中的计数值(S2),从擦除次数-擦除电压映射表中读取相应的擦除电压(S3),以读取到的新的擦除电压进行擦除(S4),执行阈值电压确认步骤(S6)和上述变更步骤(S7)。重复上述步骤S2、S3、S4、S6、S7,直到该区块内的所有存储单元的阈值电压均小于参考电压为止。当然,在不变更计数器4中的计数值的方式中,无需重新读取该计数值。

以图6为例,例如在以16V的擦除电压对已进行过20K次P/E循环的区块进行擦除动作后,若在执行阈值电压确认步骤时发现存在阈值电压大于参考电压的存储单元,则可以将擦除次数-擦除电压映射表3中、与擦除次数0~30K相对应的擦除电压从16V修改为例如17V,或者将与擦除次数0~30K相对应的擦除时间从1ms修改为例如1.5ms,还可以将该区块中的计数器4的计数值从20K变更为例如30K等,从而在下一次擦除动作中对该区块应用更高的擦除电压或擦除时间。由此,根据阈值电压确认步骤的结果自动调整擦除次数-擦除电压映射表3的参数或者计数器4的计数值,从而能够获得最佳的效果,进一步提高擦除速度。

此外,以上示出了各个区块共用同一擦除次数-擦除电压映射表3的例子,但也可以根据需要设置多个擦除次数-擦除电压映射表3来针对不同的区块。各个区块可以具有各自对应的擦除次数-擦除电压映射表,也可以是各个区块中的一部分区块共用一个擦除次数-擦除电压映射表。这样,尤其是在根据阈值电压确认步骤对擦除次数-擦除电压映射表3进行调整的情况下,能针对不同区块分别调整擦除次数-擦除电压映射表3,由此能够避免因个别区块的不正常阈值电压导致整体的擦除电压上调。

当然,本发明也不限于使用擦除次数-擦除电压映射表来确定擦除操作参数。例如也可以利用计算公式、模型等来根据擦除次数获得相应的擦除操作参数,并能进一步根据阈值电压确认结果来变更这些计算公式、模型的参数等。简而言之,能根据一定的对应法则获得擦除操作参数即可。

此外,以上示出了区块擦除的例子,但对于以bank为单位进行擦除的情况下也同样可以适用本发明。

以上详细描述了本发明的优选实施方式。但应当理解为本发明在不脱离其广义精神和范围的情况下可以采用各种实施方式及变形。本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此,凡本领域技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应属于由本发明的权利要求书所确定的保护范围内。

在一些实施例中,说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值,该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中,数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本申请一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值,在具体实施例中,此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。

标号说明

1 隧道氧化层

FG 浮栅电极

CG 控制栅极

E 电子

3 擦除次数-擦除电压映射表

4 计数器

5 控制部

再多了解一些
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