DE60130012T2

DE60130012T2 - Beschreibbare verfolgungszellen

Info

Publication number: DE60130012T2
Application number: DE60130012T
Authority: DE
Inventors: Shahzad B. Union City KHALID; Daniel C. Fremont Guterman; Geoffrey S. Los Angles GONGWER; Richard Los Altos Hills SIMKO; Kevin M. San Jose Conley
Original assignee: SanDisk Corp
Current assignee: SanDisk Corp
Priority date: 2000-09-27
Filing date: 2001-09-25
Publication date: 2008-03-20
Anticipated expiration: 2021-09-26
Also published as: WO2002027729A3; US20030112661A1; EP1624461B1; US6873549B2; AU2001294743A1; EP1332500B1; EP1624461A2; KR100760886B1; ATE370498T1; US6538922B1; CN1466765A; JP2004510286A; DE60130012D1; KR20030043976A; US20040105307A1; WO2002027729A2; EP1332500A2; CN1273992C; EP1624461A3; US6714449B2

Description

Hintergrund der Erfindung
Gegenstand der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen nichtflüchtige Halbleiterspeicherbausteine und insbesondere die Verwendung von Tracking-Zellen für das Lesen von Mehrzustandsspeicherzellen.
Hintergrundinformationen
In einer Halbleiterspeicherzelle werden Daten durch Programmieren der Zelle gespeichert, um eine gewünschte Schwellspannung aufzuweisen. Die in der Zelle gespeicherten Daten werden durch Ermitteln der Schwellspannung der Zelle und Umrechnen dieser Spannung in einen Logikpegel gelesen. Für eine binäre Speicherzelle mit zwei Zuständen kann diese Umrechnung durch Verwenden einer Referenz- oder Breakpoint-Spannung durchgeführt werden, um einen Lesepunkt zur Verfügung zu stellen: Zellen mit einer Schwellspannung oberhalb dieses Lesepunktes entsprechen einem Zustand, währen diejenigen mit einer Schwellspannung unterhalb dieses Lesepunktes dem anderen Zustand entsprechen. Wenn eine Speicherzelle eine Mehrzustandszelle ist, ist es erforderlich, dass eine Anzahl derartiger Lesepunkte eingeführt wird, um zwischen den Zuständen zu unterscheiden.
Wenn die Anzahl der in der Speicherzelle gespeicherten Zustände zunimmt, müssen mehr Zustände innerhalb eines Bereiches von Schwellwerten enthalten sein. Infolgedessen wird der Anteil dieses Bereiches, der einem vorgegebenen Zustand entspricht, enger und die Lesepunkte kommen einander näher. Sobald die Speicherzellen programmiert worden sind, können sich deren Schwellpegel, auf welche die Speicherzellen programmiert worden sind, aufgrund einer Anzahl von Ursachen verändern. Dies kann aufgrund der nicht vollkommen Aufrechterhaltung der Ladung in nichtflüchtigen Speichern beruhen, wobei der Schwellpegel einer Zelle in Abhängigkeit von angewendeten Bias-Spannungen, von der durch gespeicherte Ladung generierte Felder und in Dielektrika gefangene Ladung sich aufwärts oder abwärts bewegen kann. Dies kann auch aufgrund von Veränderungen der Betriebsbedingungen erfolgen, wenn die Zelle programmiert und wenn diese ausgelesen wird. Falls die zur Ermittlung des Dateninhaltes der Zellen verwendeten Lesepunkte nicht diesen Veränderungen in der Zelle folgen, werden die Lesepunkte nicht länger exakt zwischen den unterschiedlichen Schwellspannungen unterschieden. Dies ist der Fall, wenn ein festgelegter globaler Satz von Referenzspannungen, wie zum Beispiel von einer Band-Gap Schaltung, zum Herstellen der Lesepunkte verwen det wird. Eine derartige Schaltung wird auf die Bedingungen, die zur Veränderung der Schwellspannungen der Speicherzellen geführt haben, nicht reagieren oder anders reagieren. Wenn diese Veränderung ausreichend groß wird, werden die Lesepunkte nicht mehr exakt zwischen den an den Zellen erkannten Schwellspannungen unterschieden und die programmierten Daten können nicht mehr exakt gelesen werden.
Ein Verfahren zum Verbessern der Genauigkeit der Beziehung zwischen den Lesepunkten und Schwellspannung der auf einen bestimmten Datenzustand programmierten Zellen zum Zeitpunkt, wenn die Zellen gelesen werden, ist die Verwendung von beschreibbaren Referenz- oder Tracking-Zellen. Diese sind ein Satz von Speicherzellen, die aber nicht mit Daten beschrieben werden und stattdessen mit vorgegebenen Referenzwerten beschrieben werden. Die Lesepunkte werden aus diesen Zellen extrahiert, da sich diese ähnlich wie die Datenzellen verhalten und stellen eine genauere Beziehung zwischen einem Datenpegel und der aktuellen Schwellspannung einer Zelle zur Verfügung, die auf diesen Pegel programmiert wurde. Die Verwendung von Referenzzellen in Mehrzustandsspeicherzellen sind in unserem US-Patent 6,172,338 beschrieben und weiter in unserem US-Patent Nummer 6,222,762 entwickelt. Es wird auch auf die internationale Patentanmeldung Nummer WO 00/42616 verwiesen, die sich auf die Architektur und Arbeitsverfahren digitaler nichtflüchtiger integrierter Schaltungssysteme mit Multileveln richtet, und auf US-Patent Nummer 6,094,368 , das auf Auto-Tracking Schreib- und Leseprozesse für nichtflüchtige Speicher mit mehreren Bits pro Zelle gerichtet ist.
Da die Anzahl von Zuständen pro Zelle kontinuierlich ansteigt, sind weitere Verbesserungen der Genauigkeit des Leseprozesses erforderlich. Daher sind Verbesserungen der Tracking-Zellen-Technik erforderlich, die nicht nur deren Genauigkeit und Betriebsgeschwindigkeit erhöhen, sondern auch die Größe des Overheads reduzieren, den diese erfordern, sowohl im Hinblick auf die aktuellen Tracking-Zellen und auch im Hinblick auf die zugehörigen Schaltungen.
Zusammenfassung der vorliegenden Erfindung
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein Mehrzustandsspeicher gemäß des unabhängigen Anspruchs 1 zur Verfügung.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein Betriebsverfahren eines Mehrzustandsspeichers gemäß des unabhängigen Anspruchs 11 zur Verfügung.
Die vorliegende Erfindung stellt mehrere Techniken zur Verwendung beschreibbarer Tracking-Zellen vor. Mehrfach-Tracking-Zellen werden für jeden Schreibblock des Speichers zur Verfügung gestellt. Diese Zellen können umprogrammiert werden. Die Schwellspannungen der Tracking-Zellen werden dazu verwendet, die gespeicherten Logikpegel der Benutzerzellen zu ermitteln. In einem Satz von Ausgestaltungen stehen Populationen von einer oder mehreren Tracking-Zellen mit unterschiedlichen Logikpegeln eines Mehrzustandsspeichers in Zusammenhang. Diese Populationen von Tracking-Zellen können für nur eine Teilmenge der Logikpegel zur Verfügung gestellt werden. Die Lesepunkte zum Umrechnen der Schwellspannungen werden für alle Logikpegel, die auf dieser Teilmenge basieren, abgeleitet. In einer Ausgestaltung stehen zwei Populationen, die jeweils aus mehreren Tracking-Zellen bestehen, mit zwei Logikpegeln der Multi-Bit Zelle in Zusammenhang. Basierend auf den Schwellspannungen dieses Paares von Populationen kann ein linearer Logikpegel als Funktion des Schwellpegels die Schwellwerte der Benutzerzellen in einen der Logikpegel umrechnen. Auf diese Art und Weise kann der Logikpegel einer Datenzelle basierend auf einer Population von Tracking-Zellen, die mit einem nicht-angrenzenden Logikpegel in Zusammenhang steht, ermittelt werden. Durch Verwendung von mehreren Populationen von Tracking-Zellen können komplexere Zusammenhänge zwischen den Zell-Schwellwerten und Logikpegeln erzielt werden. Das Lesen von Datenzellen durch Verwendung von Tracking-Zellen hat eine analoge Implementierung. Bei dieser analogen Implementierung werden die Benutzerzellen unter Verwendung der analogen Schwellwerte der Populationen von Tracking-Zellen direkt gelesen, ohne dass diese zuerst in digitale Werte umgerechnet werden.
Zusätzliche Aufgaben, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung seiner bevorzugten Ausgestaltungen ersichtlich, wobei die Beschreibung in Zusammenhang mit den Zeichnungen betrachtet werden sollte.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Relation zwischen Schwellen von Tracking-Zellen und die der Benutzerzellen.
2 ist ein Blockdiagramm einer analogen Anordnung zum differentiellen Lesen, die direkt zum Vergleichen einzelner Schwellen von Tracking-Zellen mit Schwellen von Benutzerzellen verwendet wird.
3 zeigt eine alternative Relation zwischen Schwellen von Tracking-Zellen und die der Benutzerzellen.
4 ist eine schematische Darstellung einer analogen Anordnung zum differentiellen Lesen, die mehrere Tracking-Zellen verwendet.
5 zeigt einen Bereich von Control Gate Spannungen, die sich über den gesamten Bereich der erwarteten Zellenschwellwerte erstreckt.
6 ist ein Blockdiagramm einer Anordnung zum Verwenden der Pegel von 5, um die Zellschwellen zu ermitteln.
7 zeigt ein solches System, in dem ein linearer Zusammenhang zwischen Schwell- und Logikpegeln angenommen wird.
8 zeigt Tracking-Zellen, die auf drei unterschiedliche Logikpegel programmiert sind, um es zu ermöglichen, einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen Schwell- und Logikpegeln zu extrahieren.
9 zeigt vier logische Pegel, die dazu verwendet werden, um zu ermöglichen einen noch komplexeren nicht-linearen Zusammenhang zwischen Schwell- und Logikpegel zu extrahieren.
10 zeigt mehrere Tracking-Zellen, die mit einem vorgegebenen Logikpegel in Zusammenhang stehen.
11 ist ein Blockdiagramm einer Ausgestaltung, wobei die Benutzerzellen mit analogen Spannungspegeln, die aus den Tracking-Zellen abgeleitet wurden, direkt gelesen werden.
12 ist ein Detail von 11, das ein Beispiel der Schaltung AVE_A 1110 und seine Tracking-Zellen ausführlicher zeigt.
13 zeigt ein Beispiel eines analogen Leseverstärkers, der mit seinen Tracking-Zellen verbunden ist.
14 ist eine spezielle Ausgestaltung der Lesepunktschaltung von 11.
15 ist ein Detail eines der Widerstände R_i in 14, das zeigt, wo dieser abgegriffen wird, um die unterschiedlichen verwendeten Werte bereitzustellen.
Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltung
Die Speicherkapazität nicht-flüchtiger Halbleiterspeicher hat sowohl durch die Verringerung der Größe der einzelnen Schaltungskomponenten als auch durch Erhöhen der Datenmenge, die in einer einzelnen Speicherzelle gespeichert werden können, zugenommen. Zum Beispiel können Elemente, die in US-Patent Nummer 5,712,189 und 6,103,573 sowie in US-Patentanmeldung Nummer 09/505,555 , angemeldet am 17.02.2000, und eine mit dem Titel "Non- Volatile Memory Cell Array Having Discontinuous Drain and Source Diffusions Contacted by Continuous Bit Line Conductors and Methods of Forming" von Jack H. Yuan und Jacob Haskeil, angemeldet am 22.09.2000, die alle auf SanDisk Corporation übertragen sind, vier und mehr logische Bits pro physikalischem Floating Gate Speichertransistor speichern. Diese Speicherung erfordert, dass jedes Floating Gate in der Lage ist, diese innerhalb eines der sechzehn oder mehr möglichen Speicherzustände zu codieren. Jeder dieser Speicherzustände entspricht einem eindeutigen Wert, oder genauer, einem engen Wertebereich von gespeicherter Ladung auf den Floating Gates, der ausreichend von seinen benachbarten Ladungsspeicherwerten der benachbarten Zustände getrennt ist, um diese sowohl von denen der benachbarten Zuständen als auch von den anderen Zuständen zu unterscheiden.
Die Ermittlung eines in einer Zelle gespeicherten Ladungspegels kann durch Strommessung durchgeführt werden, wobei die Größe seiner Leitfähigkeit unter Verwendung feststehender Bias-Bedingungen oder durch Schwellspannungs-Bedingungen gemessen wird, wobei der Beginn derartiger Leitfähigkeit unter Verwendung von variierenden Steering Gate Bias-Bedingungen gemessen wird, um zwei der Standardanordnungen aufzuführen. Ansätze zur Strommessung sind weiter in US-Patent Nummer 5,172,338 und 6,222,762 entwickelt, das oben erwähnt wurde, und können mit den verschiedenen nachstehend beschriebenen Ausgestaltungen verwendet werden. Wie auch immer verwendet die Mehrzahl der folgenden Darstellungen die Schwellspannungs- V_th Messmethode, da diese die Leseauflösung verbessert, den Strom und somit die Leistung in Zusammenhang mit vielen parallelen Leseoperationen niedrig hält und das Schadenpotential gegenüber hohen Bitleitungswiderständen minimiert.
Die eigentliche Messung kann auf verschiedene Weisen durchgeführt werden, zum Beispiel durch einen aufeinander folgenden Vergleich der Schwellspannung einer Zelle mit jedem der Referenzwerte. Für Mehrzustandszellen kann es effizienter sein, Zelle für Zelle eine datenabhängige binäre Suche zu verwenden, die zum Beispiel in der Lage ist, parallel jede gelesene V_th einer Zelle mit einer Auflösung von eins zu sechzehn durch eine sequentielle Messoperation mit vier Durchlaufen zu ermitteln. Der Betrag der erforderlichen Auflösung zum Messen wird nachstehend mit Bezug auf die verschiedenen vorgestellten Ausgestaltungen aufgezeigt. Wie gewöhnlich ist die Höhe der Auflösung oft ein Kompromiss zwischen einer höheren Auflösung, was zu mehr möglichen "Bits" über der minimal erforderlichen 4-Bit Auflösung der beispielhaften Ausgestaltungen hinaus führt, jedoch sowohl auf Kosten einer größeren Fläche, um diese Extra-Bits zu messen und zu speichern, als auch auf Kosten von mehr benötigter Zeit. Beides aufgrund der zusätzlichen Messdurchläufe bei der binären Suche dieser Extra-Bits und aufgrund Übertragung dieser zusätzlichen Information.
Um die in den Zellen gespeicherten Daten zu extrahieren, müssen diese mit ausreichender Genauigkeit sowohl geschrieben als auch gespeichert werden. Zum Zeitpunkt des Programmierens sollte der Wertebereich, der mit jedem Speicherzustand in Zusammenhang steht, der in die Dateneinheit geschrieben wird, zum Beispiel ein Sektor, auf einen durchweg engen Bereich begrenzt sein und die Trennung zwischen der Mitte von jedem dieser Bereiche und deren zugehörigen nächstgelegenen Nachbarn, das heißt die Zustände mit einer V_th gerade oberhalb und unterhalb innerhalb der Einheit, die beschrieben wird, auch im innern eines konstant kontrollierten Zielbereichs aufrecht erhalten werden.
Wenn eine Dateneinheit ausgelesen wird, sollte der Speicherzustand jeder der Zellen innerhalb dieser Einheit durch die Abtastschaltung mit einer ausreichend hohen Genauigkeit und Auflösung ermittelt werden, um adäquat den Bereich jedes Speicherbandes und die Separation zwischen jedem der benachbarten Bänder zu ermitteln. Es sollte beachtet werden, dass dies nicht erfordert, dass die Benutzerdaten, die mit jedem dieser Zustände in Zusammenhang stehen, bekannt sind, sondern lediglich, dass die darin enthaltenen Zustände mit ausreichender Genauigkeit zurückgelesen werden. Derartige Zellen, die nicht gelesen oder alternativ programmiert werden können oder Daten mit ausreichender Genauigkeit speichern, mit einem Fehlerkorrekturcode (ECC) oder anderem äquivalenten Fehlermanagement, so wie zum Beispiel in US-Patent 5,418,752 beschrieben, behandelt werden.
Unter diesen Maßnahmen sind die minimalen Erfordernisse für das Abtasten, dass der Speicher jeder Zelle mit ausreichender Genauigkeit ermittelt wird. Auf diese Art und Weise ist es möglich, den Pegelzusammenhang jeder Zelle mit all den anderen Zellen innerhalb der gleichzeitig beschriebenen Speichereinheit oder Sektor wiederherzustellen. Es ist nicht entscheidend, dass die absoluten Datenwerte, die repräsentiert werden, zu dieser Zeit ermittelt werden, solange aus dieser Information ein Schlüssel oder Übersetzer extrahiert werden kann, um ein derartiges Mapping oder ein Filter zum Unterscheiden zwischen den ermittelten Speicherpegeln und den zugehörigen Zuständen zur Verfügung zustellen. Beim Fehlen solch eines Schlüssels führt dies zu zusätzlichen Anforderungen für eine absolute Referenzierung, um mit ausreichender Genauigkeit die genauen Betriebsbedingungen zu dem Zeitpunkt, in dem die Daten ursprünglich geschrieben worden sind, wiederherzustellen, um eine genaue Umrechnung der Pegel in Daten zu ermöglichen. Eine Ungenauigkeit bei einer derartigen Umrechnung muss sich in einem Sicherheitsband befinden, was die Erfordernisse der Zustände und folglich das Speicherfenster erhöht. Da ein Speicherfenster nutzbarer Schwellspannungen aufgrund von Zuverlässig keit und dynamischer Bereichsberücksichtung von begrenzter Größe ist, würde dies die Anzahl von codierbaren Pegeln und infolgedessen die Anzahl von physikalisch gespeicherter Bits, die in einer physikalischen Speicherzelle gespeichert werden, begrenzen.
Selbst wenn eine derartige Referenzmöglichkeit in dem Fall gegeben ist, wenn zu irgend einem Zeitpunkt in der Zukunft gelesen wird, tritt eine Gleichtaktverschiebung in den zurückgelesenen Pegeln relativ zu den Pegeln auf, die zum Zeitpunkt des ursprünglichen Schreibens erzeugt worden sind, was bei High Write Cycle Endurance Levels auftreten kann, die aufgrund von Cell Detrapping für "Relaxation" anfällig sind, so dass eine absolute Referenzierung nicht hilft, ist die Umrechnung zwischen zurückgelesenen Pegeln und Daten nicht mehr die gleiche. Dies gegeben sowie aufgrund der sehr schwierigen Gewährleistung solch absoluter Referenzierungsmöglichkeit in Serienfertigung, Speicherung und Betrieb von Daten über Jahre, große Bereiche von Betriebstemperaturen und die verschiedenen Zielversorgungspegel und Bereiche, welche die Endprodukte erfüllen sollen, ist es oft bevorzugt, nicht von "absoluter" Referenzierung, sondern eher von "relativen" Möglichkeiten, die in Speichermedium inhärent sind, abhängig zu sein.
Dies kann durch Einbringen des Umrechnungsschlüssels ins Innere des Mediums, oft ins Innere der Datensektoreinheit, durchgeführt werden. In der nachstehenden Ausgestaltung kann eine zusätzliche Anzahl von physikalischen Zellen, Overhead-Referenz oder "Tracking" Zellen in jeden Sektor eingeführt werden, um diese Funktion zu unterstützen, so wie in US-Patent Nummer 5,172,338 und 6,222,762 beschrieben.
Für die meisten Ausgestaltungen sind diese Zellen in jeder Hinsicht die gleichen wie die Benutzerdatenzellen, außer, dass diese bekannte Daten oder Speicherpegel enthalten, die von einem Controller, einer Firmware oder einer Kombinationen daraus zum Zeitpunkt des Schreibens von Daten ermittelt wurden. Diese können an die Benutzerdaten auf analoge Art an ECC Bits, wie in US-Patent 5,418,752 beschrieben, angefügt werden.
Jeder Datensektor enthält die Benutzerdatenzellen, kann aber auch die Tracking-Zellen, die Fehlerkorrekturcodezellen, Header und so weiter enthalten, die nicht direkt zum Speichern von Daten benutzt werden. In Beispielen mit Tracking-Zellen und ECC-Zellen können beide dazu verwendet werden, die Zuverlässigkeit des Speichers in einer komplementären Art und Weise mit den ECC Zellen, die zum Korrigieren der Datenwerte verwendet werden, und den Tracking-Zellen, die zum Lesen von den Benutzerdaten und ECC Zellen verwendet werden, zu erhöhen.
In den meisten der beschriebenen Ausgestaltungen werden die Tracking-Zellen auf die gleiche Art und Weise wie Benutzerzellendaten behandelt, die von einer Rotation und anderen Wear Leveling Strategien profitieren, so dass die meisten exakt die Historie von deren zugehörigen, für Benutzerdaten vorgesehene Zellen wiedergeben. Die Rotation von Benutzerdaten kann mit der Rotation verbunden werden oder Umschalten von Tracking-Zellen wie nachstehend beschrieben wird oder anders unabhängig behandelt werden. Da die Information der Rotation der Zellen durch Vergleichen derer Schwellspannungspegel extrahiert werden kann, kann die Rotation von Benutzerzellen aus der Tracking-Zellen Rotation ermittelt werden. Da die Rotation der Tracking-Zellen wie eine Funktion der Rotation von Benutzerzellen durch Korrelieren dieser Information behandelt werden kann, kann der Speicher Overhead einsparen, da es nicht erforderlich ist, dass Extrazellen allokiert werden müssen, um Informationen der Rotation von Benutzerzellen zu speichern. Die nachstehende Beschreibung ermöglicht mehrere Verwendungsvariationen der Tracking-Zellen, die entweder einzeln oder in Verbindung verwendet werden können, um die Verfahren von US-Patent Nummer 5,172,338 und 6.222,762 zu verbessern.
Durch Umprogrammieren der Tracking-Zellen, wenn die zugehörigen Benutzerzellen programmiert werden, haben die Tracking-Zelle die gleiche Historie und daher die gleichen Ladungsaufrechterhaltungscharakteristika wie die Benutzerzellen. Wenn zum Beispiel die Schwelle der Benutzerzellen im Mittel um 10 mV nach 10 Jahren abfällt, werden die Schwellen der Tracking-Zelle im Mittel auch um 10 mV abfallen. Durch gleichzeitiges Lesen der Tracking-Zellen und der Benutzerzellen und durch Verwenden der Tracking-Zellen zum Ermitteln der erwarteten Schwellspannungen für jeden Logikpegel reduziert dieser Ladungsverlust nicht die effektive Grenze der Benutzerzellen.
Es ist auch bekannt, dass Ladungserhaltungscharakteristika von nichtflüchtigen Speicherzellen sich wie eine Funktion der Anzahl der durchgeführten Programmierzyklen verändern. Dadurch, dass Tracking-Zellen ungefähr die gleiche Anzahl wie die Benutzerzellen gelöscht und umprogrammiert werden, trägt diese Zyklusabhängigkeit der Ladungserhaltung auch bei und reduziert nicht den effektiven Rand der Zellschwelle.
Die Schwelle von Tracking-Zellen kann entweder mit analogen oder digitalen Techniken ausgelesen werden. Ein Beispiel einer analogen Technik beinhaltet Programmieren der Tracking-Zellen auf Schwellen zwischen denjenigen der Benutzerzellen in einen der N = 2ⁿ Zustände wie in 1 schematisch dargestellt. US-Patent Nummer 6,097,637 stellt eine derartige Technik dar, wobei zum Unterscheiden zwischen N Daten pegeln (N-1) einmal trimmbare EEPROM Referenzellen verwendet werden, um (N-1) Referenzspannungen zur Verfügung zu stellen, die direkt mit den Pegeln der Benutzerzellen verglichen werden können. (1 und 3 sind Idealfälle, bei denen sich alle Zellen in einer Anzahl von einzelnen Werten befinden, anstelle sich realistischer in einem Wertebereich zu befinden). In diesem Fall kann differentielles Abtasten direkt dazu verwendet werden, um direkt einzelne Schwellen von Tracking-Zellen mit Schwellen von Benutzerzellen zu vergleichen, wobei die gleiche Control Gate Spannung V_CG angelegt wird. 2 zeigt ein Blockdiagramm einer derartigen analogen Anordnung, wobei V_CO an der Benutzerzelle 22 und einer Tracking-Zelle 21 angelegt ist, die zwischen Pegel i und i + 1 unterscheidet, wobei der Output beider Zellen einem Differentialverstärker 23 zugeführt wird, um zu ermitteln, ob V_th der Benutzerzelle 22 sich oberhalb oder unterhalb des der Tracking-Zelle 21 befindet. Durch Vergleichen der Benutzerzellen mit den Tracking-Zellen, die auf verschiedene Pregel programmiert worden sind, wird der Logikzustand der Benutzerzellen ermittelt. Diese Vergleiche können eine lineare Suche sein, wobei jede Zelle mit jeder Tracking-Zelle verglichen wird, oder eine binäre Suche, was die Anzahl der erforderlichen Vergleiche reduziert.
Ein anderes Verfahren, das analoges Lesen der Tracking-Zellen nutzt, die auf die gleiche Schwelle wie die der Benutzerzellen programmiert werden sollen, ist in 3 schematisch dargestellt. In diesem Falle werden während der Leseoperation Mehrfachtracking-Zellen dazu verwendet, die geeigneten Control Gate Spannungen zum Lesen der Benutzerzellen zu ermitteln wie in 4 gezeigt und weiter in US-Patent Nummer 6,222,762 entwickelt. Hier haben die Tracking-Zellen 41 und 42 unterschiedlich programmierte Schwellen, die den Zuständen i beziehungsweise i + 1 entsprechen. Deren entsprechende Leseverstärker SA 43 und SA 44 führen zu den Control Gates der Zellen in einer Art und Weise zurück, so dass das Output des Leseverstärkers die Schwelle der Tracking-Zelle ist. Outputs von Mehrfachleseverstärkern werden Input einer Schaltung V A-VERAGE 45, die den zugehörigen dazwischenliegenden Control Gate Pegel zum Lesen der Benutzerzellen ermittelt, was hier durch die einzelne Zelle 46 dargestellt ist. Leseverstärker SA 47 ermittelt, ob sich die Schwellspannung der Benutzerzelle 46 oberhalb oder unterhalb dieses dazwischenliegenden Wertes befindet wie durch den Output 0/1 angedeutet. In 4 ist die zugehörige Control Gate Spannung für die Benutzerzelle 46 ein dazwischen liegender Wert zwischen den Schwellspannungen der zwei Tracking-Zellen 41 und 42. Durch Kombinierten dazugehöriger programmierter Tracking-Zellen können Schwellwerte, die Werte zwischen jedem der programmierten Zustände repräsentieren, hergeleitet werden und zum Ermitteln des Logikpegels der Benutzerzellen verwendet werden.
Digitale Techniken
Andere Verfahren zum Verwenden von Tracking-Zellen involvieren das Lesen mehrfacher digitaler Werte für die Tracking-Zellen und Schwellen von Benutzerzellen und anschließendes Verwenden digitaler Verarbeitungstechniken zum Ermitteln des Logikpegels der Benutzerzellen sind in US-Patent Nummer 6,222,762 beschrieben und werden nun weiterentwickelt. Ein derartiges Verfahren startet durch Programmieren von Tracking-Zellen auf die gleichen Schwellen wie diejenigen der Benutzerzellen wie in 3. Eine Leseoperation besteht aus Anwenden einer Reihe von festgelegten Control Gate Spannungen V_CG an den Tracking-Zellen und gleichzeitig an den Benutzerzellen. Wie schematisch in 5 dargestellt erstrecken sich diese Control Gate Spannungen über den gesamten Bereich der erwarteten Zellschwellwerte. Durch Anwenden einer Reihe von Control Gate Spannungen V_CG wie in 6 angedeutet werden digitale Werte, die Zellschwellen repräsentieren, ermittelt. Wenn zum Beispiel 16 unterschiedliche Control Gate Spannungen zur Verfügung stehen, kann ein digitaler Wert mit log₂(16) = 4 Bit ermittelt werden. Wenn ein 7-Bit Wert erwünscht ist, sind 2⁷ = 128 unterschiedliche Control Gate Spannungen erforderlich. Wie oben können diese Control Gate Spannungen in einer linearen Sequenz oder in einer Art binärer Suche angewendet werden. Die Anzahl von m Bit, die dazu verwendet werden, den Schwellwert zu lesen und zu speichern muss mindestens so groß sein wie die Anzahl von logischen Bits n von Information, die in jede Benutzerspeicherzelle programmiert wird.
(Alternativ kann eher der Auslösestrom des Leseverstärkers variiert werden als die Control Gate Spannung, um einige oder alle digitale Bits, welche die Schwelle der Zelle repräsentieren, zu bestimmen. Strombasierte Lesetechniken werden zum Beispiel in US-Patent 5,172,33 behandelt. Wenn die Anzahl der speicherbaren Mehrzustände auf einem vorgegebenen Floating Gate groß wird, werden oftmals die spannungsbasierenden Techniken aus den oben genannten Gründen bevorzugt.)
In 4a und 4b aus US-Patent Nummer 6,222,762 ist der Fall von 4-Pegeln und 8-Pegeln, beziehungsweise die n = 2 und n = 3 Zuständen entsprechen, ausführlich gezeigt. Diese Figuren stehen mit einer weiter entwickelten Version von 5 in Zusammenhang, wobei die Zustände mit einer Verteilung von Schwellwerten in Zusammenhang stehen und Grenzwerte enthalten sind. Im Wesentlichen ist die 4-Zustandzelle mit 7-Bit Auflösung entsprechend n = 2 und n = 7 ausgebildet. Die n = 4, N = 16 Zustandszelle der beispielhaften Ausgestaltung wird hier auch im Hinblick einer Auflösung mit m = 7 erörtert.
Sobald diese digitalen Werte ermittelt worden sind, werden diese dazu verwendet, die gespeicherten Logikpegel der Benutzerzellen zu ermitteln. Ein Verfahren besteht aus Berechnen der digitalen Zwischenpunkte zwischen den Schwellwerten der Tracking-Zellen, die auf benachbarte Schwellzustände programmiert worden sind. Zum Beispiel kann eine auf einen Logikpegel i programmierte Tracking-Zelle einen als 0001110 digital gespeicherten Schwellwert haben. Eine weitere auf einen Logikpegel i + 1 programmierte Tracking-Zelle kann einen als 0001110 digital gespeicherten Schwellwert haben. Der digitale Mittelpunkt zwischen diesen zwei Werten ist 0001100. Deshalb werden alle Benutzerzellen mit gelesenen Schwellwerten größer als 0001100 für einen Logikpegel von i + 1 oder höher ermittelt. Alle Benutzerzellen mit Schwellwerten kleiner als 0001100 werden für einen Logikpegel von i oder kleiner ermittelt. Durch Wiederholen dieses Ablaufes mit mehreren Sätzen von Tracking-Zellen können die spezifischen Logikpegel von jeder Benutzerzelle ermittelt werden.
Ein alternatives Verfahren zum Ermitteln der digitalen Breakpoints zwischen Logikpegeln besteht aus Programmieren von Tracking-Zellen auf nicht-benachbarte Logikpegel. Solange dem Speichersystem im Voraus bekannt ist, welche Logikpegel durch die verschiedenen Tracking-Zellen repräsentiert werden, können die digitalen Schwell-Breakpoints zwischen Logikpegeln ermittelt werden, ohne dass es erforderlich ist, die Tracking-Zellen auf jeden Logikpegel zu programmieren. In diesem Verfahren werden einige Annahmen über die Form der Kurve der Schwelle als Funktion des Logikpegels gemacht. Zum Beispiel zeigt 7 ein derartiges System, wobei hier ein linearer Zusammenhang zwischen den Schwellen und den Logikpegeln angenommen wird. In diesem Fall wird lineare Interpolation verwendet, um die Schwell-Breakpoints zwischen den Logikpegeln zu ermitteln.
7 zeigt einen Zusammenhang zwischen Schwell- und Logikpegel, der nur aus zwei Punkten 70 und 71 hergeleitet wurde, entsprechend einem einzelnen Satz von Tracking-Zellen oder allgemeiner einem Paar von Populationen von Tracking-Zellen. Zur Vereinfachung werden diese zwei Zellen mit dem niedrigsten Logikpegel 0 und dem höchsten Logikpegel N in Zusammenhang stehend angenommen. (Entsprechend könnten beide hier und im Rest der Diskussion die Zustände in umgekehrter Weise mit einer "0" entsprechend dem höchsten V_th und so weiter angeordnet sein.) Der Logikpegel, der den Tracking-Zellen oder Populationen von Tracking-Zellen entspricht, wird durch den Controller, die Firmware oder eine Kombination daraus zum Zeitpunkt des Schreibens von Daten aufgestellt. Die entsprechenden V_th0 und V_thn werden durch Lesen dieser Zellen aufge stellt, wird die Kurve V_th als Funktion des Logikpegels ermittelt, um die Schwellspannungen der Zustände zur Verfügung zu stellen und der Logikpegel wird zusammen mit begrenzenden Werten extrahiert. Zum Beispiel wäre beim Differenzieren zwischen "0" oder Masse, Logikzustand und ein niedrigerer durch Post-Löschen "gelöschter" Zustand, ein zusätzlicher Breakpoint BP_0,e unterhalb V_th0 enthalten sein.
Die Verwendung von weniger Tracking-Zellen oder Populationen von Tracking-Zellen als die Anzahl der Zustände reduziert ebenso die Anzahl erforderlicher Tracking-Zellen wie den für diese Zellen benötigter zugehöriger Overhead-Betrag. In der beispielhaften 4-Bit Ausgestaltung führt die Verwendung von mit nur zwei Zuständen in Zusammenhang stehenden Tracking-Zellen zu einer Abnahme der Anzahl der Tracking-Zellen um einen Faktor 8 verglichen mit den mit jedem der 2⁴ = 16 Zustände in Zusammenhang stehenden Zellen.
Obwohl 7 die höchsten und niedrigsten Logikzustände verwendet hat, sind diese im Allgemeinen nicht die bevorzugte Wahl. Ein Grund dafür, dass diese Zustände nicht verwendet werden besteht darin, dass diese sich relativ weit von den Schwellwerten sowie den dazwischenliegenden Logikzuständen befinden und geben deshalb diese Werte nicht exakt wieder. Falls die Tracking-Zellen stattdessen einem Paar dazwischen liegender Logikpegel entsprechen, angenommen ungefähr ein viertel und dreiviertel des Zustandes zwischen dem höchsten und niedrigsten Pegel, entspricht der mittlere Abstand zwischen dem Paar von Logikpegeln den Tracking-Zellen und der andere Pegel wird reduziert. Dies führt infolgedessen zu besseren Grenzen für den Leseprozess.
Ein weiterer Grund dafür, dass die höchsten und niedrigsten Logikzustände nicht verwendet werden besteht darin, dass diese auch nicht mit einer "typischen" Datenzelle übereinstimmen. Eine der Motivationen für die Verwendung von beschreibbaren Tracking-Zellen besteht darin, dass die Tracking-Zellen eine relativ typische Historie haben, wenn diese mit den Benutzerzellen verglichen werden. Um die Historie von deren zugehörigen für Benutzerdaten vorgesehene Zellen genauer wiederzugeben und auch um einen genaueren Zusammenhang zwischen V_th als Funktion des Logikpegels zur Verfügung zu stellen, ist die Verwendung von Logikzuständen, die sich näher des mittleren Logikpegels befindenden, im Allgemeinen genauer. Wenn zum Beispiel N = 16 wären die in Zusammenhang stehenden Zustände mit angenommen Logikpegeln 4 und 12 repräsentativer. Dadurch, dass die gleiche Zelle oder Population nicht dauernd auf entweder Zustand 4 oder 12 umgeschrieben wird, können die Zustände rotiert werden wie in US-Patentanmeldung Nummer 6,222,762 beschrieben und in US-Patent Nummer 5,270,979 weiter entwickelt.
Obwohl die Tracking-Zellen nicht durch alle möglichen Logikzustände rotiert werden, indem diese auf einen relativ hohen und einen relativ niedrigen V_th Zustand programmiert werden, werden sich diese der Historie einer typischen Benutzerzelle nähern.
In den meisten Beispielen werden diese Zellen jedes Mal umprogrammiert, wenn die Benutzerzellen des zugehörigen Schreibblocks geschrieben werden, vorzugsweise zum gleichen Zeitpunkt unter Verwendung der gleichen festgelegten, globalen Referenzpegel, um die programmierten Schwellen der Tracking- und Benutzerzellen zu setzen. Diese Prüf-Referenz kann beispielsweise durch Band-Gap Referenzspannungsgeneratoren oder andere Standardtechniken hergestellt werden. Diese können dazu verwendet werden, alle benötigten Referenzspannungen oder anderenfalls eine geringere Anzahl der benötigten Pegel zu generieren, die durch den selben Algorithmus zur Verfügung gestellt werden, der die Lese-Break-Points von den Tracking-Zellen produziert, wie nachstehend genauer mit Bezug auf analoge Ausgestaltungen beschrieben wird. Die Schwellspannungen der Tracking-Zellen werden auch vorzugsweise jedes Mal gelesen, wenn die Benutzerzellen gelesen werden und diese Schwellen werden dazu verwendet, die gespeicherten Logikpegel der Benutzerzellen zu ermitteln.
In 7 wird eine lineare Relation zwischen Logikpegeln und deren entsprechenden Schwellspannungen angenommen. Die tatsächliche Form der Kurve V_th als Funktion des Logikzustands wird sowohl davon abhängen, wie die Zellen programmiert worden sind, als auch wie diese den programmierten Pegel über der Zeit und variierenden Lesebedingungen aufrechterhalten. Typischerweise werden die Zellen in einem Programmier/Prüf-Zyklus programmiert, der eine Reihe von Programmierprüfpegeln verwendet, die gleichmäßig verteilt sind, was zu einem linearen Zusammenhang zum Zeitpunkt und Bedingung des Programmierens führt. Nichtlinearität können sich ergeben, wenn sich die Prüfpegel von deren Normalwerten unterscheiden. Alternativ könnte ein nichtlinearer Zusammenhang absichtlich eingebracht werden, um beispielsweise eine bekannte spannungsabhängige Alterungseigenschaft der Zellen zu verwerten, oder die Anzahl der gespeicherten Zustände, die in stabileren Teilen des verfügbaren Schwellfensters gespeichert sind, zu verdichten. Derartige beabsichtigte Nicht-Linearitäten können durch die Kurve von V_th als Funktion des Logikpegels kompensiert werden und können im Controller oder unmittelbarer, wie nachstehend mit Bezug auf analoge Ausgestaltungen beschrieben, berechnet werden.
Beim niedrigsten Grad, falls die Zellen auf einer bestimmten Kurve von V_th als Funktion des Logikzustandes programmiert werden, werden diese Zellen diese Kurve beibehalten. Bei höheren Graden mit variierender Zeit und Lesebedingungen werden Zellen mit unterschiedlichen Schwellen um unterschiedliche Beträge abweichen. Diese Effekte können durch Verwenden einer komplexeren Kurve kompensiert werden. In 8 sind Tracking-Zellen auf drei unterschiedliche Logikpegel programmiert, die hierbei als die Zustände 2, N/2 und (N-2) angenommen werden. Dies ermöglicht die Extraktion eines nichtlinearen Zusammenhangs zwischen Schwell- und Logikpegel. In 9 werden 4 Logikpegel dazu verwendet, um es zu ermöglichen, einen sogar komplexeren nicht-linearen Zusammenhang zwischen Schwell- und Logikpegel zu extrahieren. Wenn mehr als zwei Logikpegel verwendet werden, kann die Kurve allgemein entweder stückweise linear sein oder andernfalls eine Kurve höheren Grades sein. Falls K Populationen von Tracking-Zellen verwendet werden, wobei jede mit einem unterschiedlichen Logikpegel in Zusammenhang steht, kann eine Kurve bis zu einem Grad von (K-1) (oder höher, falls Annahmen über Grenzverhalten gemacht werden) extrahiert werden. Alternativ kann eine Kurve mit einem niedrigeren Grad als (K-1) unter Verwendung kleinster Quadrate, kubischer Splines oder anderer Standardtechniken gebildet werden.
Bisher wurde bei den vorgestellten Ausgestaltungen implizit angenommen, dass jede Population von Tracking-Zellen, die mit einem bestimmten Logikpegel in Zusammenhang steht, aus einer einzelnen Zelle besteht. In anderen Ausgestaltungen werden mehrere Tracking-Zellen in jeder Population verwendet, wobei jede Population auf einen von zwei oder mehreren logischen Zustände programmiert wird. Die Vorteile bei der Verwendung von mehreren Tracking-Zellen, die mit einem vorgegebenen Logikpegel in Zusammenhang stehen, werden in US-Patent Nummer 6,222,762 besprochen. Dieses Verfahren ermöglicht für die unvermeidlich nicht-idealen Schwellpegel der Tracking-Zellen wie in 10 gezeigt, wobei zwei Populationen von jeweils 16 Zellen verwendet werden. Mathematische Regressionsverfahren können dazu verwendet werden, um eine Ausgleichskurve der Schwellpegelkurve- als Funktion der Logikpegelkurve zu ermitteln.
Im Beispiel von 10 stehen die zwei Populationen von Tracking-Zellen mit Logikpegeln 4 und 12 in Zusammenhang. (Die Streubreite der Schwellwerte ist gegenüber der in der Praxis übertrieben, so dass diese nicht zufällig auf der verwendeten Skala erscheinen.) Die Schwellwerte in jeder Population können unter Verwendung einer Anzahl von Verfahren gemittelt werden, zum Beispiel ein Mittel, gewichtetes Mittel mit vernachlässigten außerhalb liegenden Werten, ein quadratisches Mittel oder ein auf anderen Po tenzen basierender Mittelwert. Aus dem Mittelwert jeder Population kann eine lineare Relation extrahiert werden. Alternativ könnte anstatt die einzelnen Populationen zuerst zu Mitteln kleinste Quadrate oder ein anderes Regressionsverfahrens unter Verwendung aller Tracking-Zellen durchgeführt werden, wobei dies ein verschiedener Prozess ist, falls Populationen verwendet werden, die mit mehr als zwei Pegeln in Zusammenhang stehen. Bei diesen Varianten wird ein einfaches arithmetisches Mittel verwendet, das aus jeder der zwei Populationen (mit möglichen, nicht berücksichtigten Ausreißern wie zum Beispiel die mit 101 bezeichnete über-programmierte Tracking-Zelle in 10) gebildet wird, was typischerweise die einfachste und schnellste Implementierung ist, wobei die involvierten Berechnung bei Kurven höheren Grades mehr Verarbeitung erfordert.
Im Falle einer "schlechten" Tracking-Zelle, die nicht korrekt programmiert wird, kann dies entweder auf eine alternative Zelle gemappt werden, wie es ebenso mit den Benutzerdatenzellen durchgeführt wird, oder einfacher, diese in der Population auszuschalten, da diese keine Benutzerdaten enthält. Wenn zum Beispiel beim anfänglichen Testen eine Tracking-Zelle keine Schwelle im Bereich eines Testzustandes hat, kann die defekte Zelle vom Versorger ausgeschaltet werden. Darüber hinaus kann die Zelle zu dem Zeitpunkt ausgeschaltet werden, wenn die Zelle während einer Programmier- oder Löschoperation als nicht richtig geprüft wird. Darüber hinaus können sogar unter den "guten" Tracking-Zellen einige ignoriert werden: Zum Beispiel kann eine Tracking-Zelle, wieder wie in 10 mit 101 gekennzeichnet, nicht als "schlecht" erkannt werden, aber deren Schwelle sich wesentlich von anderen Tracking-Zellen aufgrund von angenommen Überschwingen beim Programmieren unterscheidet. Während der Verarbeitung von Tracking-Zellen kann diese "gute" Tracking-Zelle mit einem "schlechten" Wert auch durch Ignorieren aller Tracking-Zellen in der Berechenung von Breakpoints entfernt werden, deren Schwellspannung eine bestimmte Entfernung von der durchschnittlichen Schwellspannung aller Tracking-Zellen entfernt ist, die auf den selben Pegel programmiert worden sind. Diese Entfernung könnte eine Schranke sein, die auf entweder einer relativen Abweichung oder einer absoluten Abweichung des Schwellwertes der Zelle basiert.
Bei jedem dieser Verfahren, wenn die Populationen von Tracking-Zellen aus einem oder vielen Punkten besteht, können diese Populationen mit nur einer Teilmenge der Gesamtzahl von logischen Zuständen in Zusammenhang stehen. Das Beispiel in 10 hat im Wesentlichen nur zwei Populationen für die möglichen 16 Logikzustände, auf die eine Benutzerzelle programmiert werden kann. Die Folge ist, dass der generische Breakpoint zum Unterscheiden zwischen einem Paar von Logikzuständen nicht durch die Schwellspannungen der Logikzustände, zwischen denen unterschieden wird, ermittelt wird. Zum Beispiel wird der Breakpoint BP_5,6 durch Populationen ermittelt wird, die mit keinem der Logikzustände 5 und 6 in Zusammenhang stehen.
Die aktuellen Schwellspannungen der Tracking-Zellen können dazu verwendet werden, die Schwellwerte der Benutzerzellen auf mehrere Weisen zurück in Datenwerte umzurechen, sowohl analog- als auch digital-basiert. In einem Satz von Beispielen werden die gesamten m Bits der Schwellinformation für die Tracking- und für die Benutzerzellen zur Verarbeitungsschaltung übertragen, welche die Umrechnung von m in n Bits durchführt. Diese Verarbeitungsschaltung könnte der Controller sein, der sich abhängig vom Beispiel auf einem anderen Chip als die gegenwärtigen Speicherzellen befindet oder sich auf dem gleichen Chip befindet. Neben seinen anderen Funktionen, wie zum Beispiel Regeln des Speichers und Übertragen von Daten vom Hostsystem, könnte der Controller die lineare Umrechnungskurve oder Umrechnungskurve höheren Grades von V_th als Funktion des Logikzustandes berechnen. Variationen für diesen Ablauf für eine Benutzerzelle mit 4 Zuständen, die eine m = 7 Bit Auflösung verwendet, sind wie oben erwähnt in US-Patent 6,222,762 dargestellt. Für das vorliegende Beispiel einer 4-Bit Benutzerzelle könnten sowohl die Tracking- als auch die Benutzerzellen mit einer 7-Bit Genauigkeit gelesen werden, die Breakpoints ermittelt werden und die Schwellwerte der Benutzerzellen in Datenwerte konvertiert werden. Alternativ könnten nur die Tracking-Zellen mit einer 7-Bit Genauigkeit gelesen werden, deren Werte zu 4-Bit Breakpoint-Spannungen umgewandelt werden und die Benutzerzellen direkt mit diesen 4-Bit Breakpoint-Spannungen gelesen werden, um deren Dateninhalt zu ermitteln.
Da Lesen ein schnellerer Prozess als Programmieren ist, führt Lesen mit 7-Bit Genauigkeit während eines Programmierens mit einer 4-Bit Genauigkeit, basierend auf den festgelegten globalen Prüfwerten, nicht zu einem Geschwindigkeitsverlust, der bei einer 7-Bit Auflösung für beide Prozesse auftreten würde. Insbesondere wenn der Leseprozess eine binäre Suche verwendet, sind die Kosten einer 7-Bit Genauigkeit zum Lesen viel geringer als Verluste, die aus einer vollen 7-Bit Implementierung resultieren würden.
In Anbetracht der oben genannten Optionen gibt es verschiedene Ausgestaltungen, die beschreibbare Tracking-Zellen auf unterschiedliche Art und Weise sowie unterschiedliche Anzahlen verwenden. In Anbetracht dessen, dass das Hauptziel darin besteht, die korrekte oder zumindest optimale Umrechnung zwischen gemessenen Zuständen und gespeicherten Daten zu ermitteln, besteht die Funktion der Tracking-Zellen darin, diese optimale Umrechnung festzulegen.
Wenn die Abtastschaltung ihre Linearität beibehält, oder falls diese nicht linear ist, zumindest ihre Stetigkeit beibehält, wird die Umrechnungstransformation im Wesentlichen eine gradlinige Annäherung mit einer Steigung und Achsenabschnitt sein, die durch die zwei Sätze von Tracking-Zellen gebildet wird, wobei jeder Satz an einem optimalen Zustand festgelegt ist, um den Fehler einer derartigen Annäherung zu minimieren. Trotz der Möglichkeit, eine Population von Zellen innerhalb jedes vorgegebenen Zustands eng zu begrenzen, da eine gewisse Streubreite in jeder Gruppe einschließlich der Tracking-Zellengruppe unvermeidbar vorhanden ist, liegt es nahe, dass eine ausrechende Anzahl von derartigen Zellen vorhanden ist, um statistisch das Zentrum jeder Population zu bilden. Auf diese Weise können Guard-Bands gegen Fehler, die mit Aufstellen der Umrechnung in Zusammenhang stehen, um so viel wie eine Hälfte der Streubreite erhöht werden. Wenn zum Beispiel Speicherzustände durch zwei derartige volle Streubreiten voneinander getrennt sind (dass heißt eine volle Streubreite wird als Trennung zwischen den Außenrändern von jeder Verteilung der benachbarten Zustände aufrechterhalten), wird eine aus dem Zentrum oder extrem nahe des Zentrums eine Referenz gebildet, was den maximalen Rand ergibt, um zwischen diesem Zustand und seinem nächstgelegenen Nachbarn zu unterscheiden. Falls zu wenig Tracking-Zellen in einer Population verwendet werden, besteht die Möglichkeit, dass dieser Referenzwert nahe an das Extrem einer Population gesetzt wird, was einer Verringerung der Trennung um 25% zwischen Zuständen entspricht. Die optimale Anzahl von Zellen ist ein Kompromiss zwischen Overhead-Fläche und folglich Kosten gegenüber Präzision; aber sogar eine relativ kleine Population im Bereich von 10 bis 30 Zellen sollte bei vielen Anwendung ausreichend sein. Die Kosten eines derartigen Overheads pro Sektor sind relativ gering. Zum Beispiel tragen in einem Schreibsektor, der etwa 1024 Benutzerdatenzellen enthält, was bei 4 Bits oder ½Byte pro Zelle 512Byte ergibt, die 16 Zellen in jeder von zwei Gruppen von Tracking-Zellen von 10 nur zu etwa 3% Overhead-Flächenkosten bei.
Wenn jedoch ein nicht-vernachlässig barer Anteil von Verzerrungen der Abtastoperation anhaftet, so dass Nicht-Linearitäten bei der Transformation vorhanden sind, die sich vom Zeitpunkt des Schreibens und späteren Lesens unterscheiden, können mehr Tracking-Zellen erforderlich sein als die mit zwei Zuständen in Zusammenhang stehenden. Im Extremfall würde dies erfordern, dass jeder Zustand abgebildet wird. Um die entsprechende Zunahme des Overheads unter Kontrolle zu halten, würde dies darauf hindeuten, die Anzahl der Zellen pro Population, die mit einem Zustand in Zusammenhang stehen, zu reduzieren. Bei den meisten Anwendungen ist dieser Extremfall unwahrscheinlich. Es kann jedoch sein, dass die Verwendung von 3 oder 4 unterschiedlichen Zustandspopula tionen, so wie in 8 und 9 gezeigt, zu einem angemessenen Kompromiss zwischen den zwei Grenzen führt.
Wie bereits angemerkt kann die mit dem Ermitteln der Umrechnung in Zusammenhang stehende Verarbeitung an mehreren verschiedenen Orten erfolgen. Bei einer Option kann dies im Controller erfolgen, wobei es in diesem Fall erforderlich ist, dass die digitalisierten Schwellwerte der Tracking-Zellen aus dem Speicher in den Controller mit der vollständigen Auflösung geschoben werden, die zu Beginn des Lesens zum Erstellen der Umrechnung vorhanden sind. Der Restbestand der Daten kann dann mit der gleichen Auflösung herausgeschoben werden und der Controller dazu veranlasst werden, diese Daten unter Verwendung der Umrechnung zu verarbeiten, um die 4-Bit Daten pro Zelle zu extrahieren, was bei einer vorgegebenen 110 Busbreite und Taktfrequenz die Datentransferrate reduziert und den Leistungsverbrauch erhöht. Alternativ können die Umrechnungsterme zurück in den Speicher geschoben werden, zum Beispiel durch Auffüllen eines schnellen Look-Up Table RAM auf dem Chip, der dazu verwendet wird, die verbleibenden Daten auf dem Chip zu verarbeiten. Die Umrechnung kann zur gleichen Zeit erfolgen, wenn die Daten herausgeschoben werden, wobei nur die 4-Bit Daten von Interesse heraus geschoben werden, wodurch der Verlust der Lesegeschwindigkeit minimiert wird und die mit diesem Schieben der Daten in Zusammenhang stehende Leistung reduziert wird. Eine andere Option besteht darin, die Umrechnung auf dem Speicherchip durchzuführen, indem der Controller auf dem gleichen Chip untergebracht wird und/oder durch Ermitteln, welche zugehörige Spannung am besten für die Population von Tracking-Zellen geeignet ist, die mit jedem vorgegebenen Zustand während einer ersten Abtastsession in Zusammenhang stehen und von diesen Werten ausgehend den gesamten Satz Spannungen anzupassen, die in einer zweiten Abtastsession dazu verwendet werden, die 16 Pegel der Benutzerzellen zu lesen. Das Unterbringen des Controllers auf dem gleichen Chip wie die Speicherzellen führt zu Einsparungen sowohl von der Zeit als auch der Leistung, da dies die Datenübertragung auf einem Input/Output-Bus vermeidet.
Analoge Techniken
11 ist ein Blockdiagramm einer Ausgestaltung, bei der die Benutzerzellen direkt mit analogen Spannungspegeln ausgelesen werden, die aus den Tracking-Zellen abgeleitet wurden. Obwohl viele dieser Details auch für die digitalen Implementierungen oben gelten würden, werden in den analogen Ausgestaltungen die Schwellspannungen der Tracking-Zellen nicht in digitale Werte umgewandelt, sondern in deren analogen Form verwendet, um die Lesespannungen direkt zu verwenden, um die Schwellspannungen der Benutzerzellen in Daten umzurechnen. Jeder Datensektor im Speicher ist bevorzugt mit solch einer Schaltung ausgerüstet.
In 11 ist ein erster Satz von L Tracking-Zellen TC_1,1 1111 to TC_1,L 1112 mit einer Mittelwertschaltung AVE_A 1110 verbunden. Eine zweite Mittelwertschaltung AVE_B 1120 ist mit einer zweiten Population von Tracking-Zellen verbunden, die angenommen hier auch L Elemente aufweist. Basierend auf den Schwellwerten dieser Tracking-Zellen bestimmen die zwei Mittelwertschaltungen die zwei Spannungen V_aveA und V_aveB, die mit zwei der Logikpegel in Zusammenhang stehen, aus denen die verschiedenen Lesepunkte ermittelt werden. Im allgemeineren Fall, bei dem Populationen verwendet werden, die mit mehr als zwei Logikpegeln in Zusammenhang stehen, wäre eine derartige Mittelwertschaltung vorhanden. Die V_aves werden der Schaltung 1130 zugeführt um die Lesepunkte zu ermitteln, die dazu verwendet werden, die Schwellspannungen der Benutzerzellen in Daten umzurechnen.
Neben V_aves kann die Schaltungen 1130 verschiedene andere Inputs erhalten. Da die Zustände A und B, die den zwei Populationen entsprechen, rotiert werden, um eine einheitlichere Historie zur Verfügung zu stellen, ermittelt Schaltung 1130, welche Population welchem Pegel entspricht. Zum Beispiel entspricht in einer Ausgestaltung gemäß 10 die eine Logikpegel 4 und die andere Logikpegel 12. Um zu ermitteln, welche welcher ist, kann Schaltung 1130 entweder einfach diese Spannungen direkt vergleichen oder andernfalls kann diese Information dem Controller, der Firmware oder wo immer diese Information als Kontrollsignal gespeichert wurde, hier mit ROT bezeichnet, zugeführt werden. Allgemeiner könnte dies auch Informationen über Änderungen enthalten, wie diese Populationen in Zusammenhang stehen. Da wie nachstehend mit Bezug auf 14 beschrieben, die gleiche Schaltung 1130 auch vorzugsweise zum Programmier-Prüfen und für andere Leseoperationen neben der Datenextraktion verwendet wird, werden auch global festgelegte Programmier-Prüfspannungen V_Pvhi und V_PVio, die jedem der Logikpegel entsprechen, die mit den zwei Populationen in Zusammenhang stehen, auch zur Verfügung gestellt. Ein Kontrollsignal, hier PGM genannt, wird dazu verwendet, zu entscheiden, ob die V_aves oder die V_PVs verwendet werden, um die Lesepunkte festzulegen.
Die Lesepunkte werden der READ/VERIFY Schaltung 1140 zugeführt. Diese Lesewerte werden für die verschiedenen Leseoperationen verwendet, die an den Benutzerdatenzellen durchgeführt werden. Hier ist eine einzelne Zelle 1150 gezeigt, um den gesamten Lesesektor, mit dem die Schaltung aus 11 in Zusammenhang steht, zu kennzeichnen. Die Schaltung von READ/VERIFY Schaltung 1140 verwendet die Lesepunkte, um die Daten aus den Zellen zu extrahieren, zum Beispiel durch Anwenden der verschiedenen Breakpoints am Control Gate und Überwachen des Ergebnisses mit einem Leseverstärker wie in der vereinfachten Anordnung von 6. (Die Programmierschaltung für die Tracking- und Benutzerdatenzellen ist hier nicht gezeigt, um diese Figuren für die besprochenen Elemente zu vereinfachen, sind aber zum Beispiel in US-Patent 5,172,338 oder 5,418,752 oder 6,222,762 gezeigt).
12 zeigt ein detailliertes Beispiel der Schaltung AVE_A 1110 und seine Tracking-Zellen im Falle von L = 16. Die anderen Mittelwertschaltungen sind ähnlich aufgebaut. Jede der Tracking-Zellen TC_1,1-TC_1,16 ist ähnlich aufgebaut und werden in gleicher Weise wie die Benutzerspeicherzellen programmiert. Diese sind jeweils mit einem entsprechenden analogen Leseverstärker verbunden, wobei jeder mit dem gleichen Referenzstrom I_ref gespeist wird. Zum Beispiel ist Tracking-Zelle TC_1,1 1111 mit dem analogen Leseverstärker SA1 1211 verbunden. Unter Verwendung des Referenzstromes I_ref als Input gibt der Leseverstärker die Schwellspannung V_th1,1 der Tracking-Zelle aus. Nach Durchlaufen des Widerstandes 1241 wird diese Spannung mit den anderen Schwellspannungen kombiniert, um den Mittelwert der Tracking-Zellen zu erzeugen, die mit dem Logikpegel A, V_aveA in Zusammenhang stehen. Der Output jedes Leseverstärkers durchläuft auch einen Widerstand wie zum Beispiel 1231 für den analogen SA 1. Dies ist eine Vorkehrung zum Ausschalten von "schlechten" Tracking-Zellen. Falls zum Beispiel während des anfänglichen Testens festgestellt wird, dass die Tracking-Zelle nicht korrekt programmiert wurde, kann der Widerstand 1231 dazu verwendet werden, die Tracking-Zelle aus der Population auszuschließen. Falls alternativ eine Tracking-Zelle eine Prüfung nicht besteht, wenn diese zu einem späteren Zeitpunkt beschrieben oder gelesen wird, kann diese zu diesem Zeitpunkt ausgeschaltet werden. Obwohl das Beispiel von 12 einen fest zugeordneten Leseverstärker für jede Tracking-Zelle aufweist, könnten alternative Beispiele Tracking-Zellen einen Leseverstärker gemeinsam verwenden, falls die geeigneten Schaltungen zum Umschalten zur Verfügung gestellt werden. Selbstverständlich wird im Falle, bei dem eine Population von Tracking-Zellen aus einer einzigen Zelle besteht, nur die einzige Schwellspannung zur Verfügung gestellt und die Mittelwertbildung ist nicht erforderlich.
Ein Beispiel eines analogen Leseverstärkers, der mit seiner Tracking-Zelle verbunden ist, ist in 13 gezeigt. Eine Referenzspannung V_ref von einem Band-Gap Referenzspannungsgenerator oder von einer anderen Quelle wird am Control Gate von Transistor 1301 angelegt, um dem Leseverstärker 1211 den Referenzstrom I_ref zur Verfügung zu stellen, was einen Strom durch die Source von Tracking-Zelle TC 1111 hervorruft. Ein Paar p-Kaskadenelemente 1311 und 1312 gefolgt von einem zweiten Paar Kaskadentransistoren 1321 und 1322 mit entsprechenden Kaskaden-Schwellen sind zwischen der Tracking-Zelle und Widerstand 1301 zwischengeschaltet. Ein Knoten Ni befindet sich zwischen den zwei Sätzen von Kaskadenelementen und ist mit dem Control Gate eines Transistors 1330 verbunden. In dieser Anordnung wird der Transistor 1330 als ein Source Follower agieren und die Spannung an N2 auf den gleichen Pegel wie die Schwellspannung V_th11 der Tracking-Zelle 1111 setzen. Das Paar Kaskadenelemente an beiden Seiten von Knoten Ni werden dazu verwendet, den Gewinn des Rückführkreises zu erhöhen.
14 ist eine spezielle Ausgestaltung der Lesepunktschaltung 1130 von 11. Die Spannungen V_aveA und V_aveB, oder allgemeiner alle der gemittelten Spannungen der Populationen von Tracking-Zellen werden an einem Schaltkreis wie beispielsweise 1402 aufgenommen. Da es wie oben beschrieben oft vorzuziehen ist, die Populationen von Tracking-Zellen zwischen den Logikzuständen, mit denen diese in Zusammenhang stehen, zu rotieren, ist es erforderlich, dass die V_aves entsprechend dem Zustand, mit denen diese in Zusammenhang stehen, verbunden sind. Im Falle von zwei Werten wird eine einfache Schaltung zum Beispiel 1402 V_aveA mit V_aveHI und V_aveB mit V_aveLO verbinden, falls das Kontrollsignal ROTAB getrennt wird, und diese zwei Verbindungen rotieren, falls ROTAB angelegt wird. Diese Korrespondenz zwischen Populationen von Tracking-Zellen und den Logikpegeln wird in einer Schaltung zum Ermitteln der Rotation ermittelt, die hier als Block 1401 gezeigt ist. Die Inputs sind die verschiedenen V_aves, ein oder mehrere Signale, welche die Korrespondenz vom Controller enthalten oder wo auch immer diese Information gespeichert ist, oder eine Kombination davon.
Im Falle, bei dem die Populationen von Tracking-Zellen immer mit dem gleichen Satz von Logikpegeln in Zusammenhang stehen, könnte Block 1401 die Korrespondenz einfach durch Vergleichen der Werte V_aves ermitteln. Zum Beispiel in 14 durch Anlegen oder Trennen von ROTAB basierend darauf, ob V_aveA > V_aveB ist, könnte ROTAB direkt von ROT kommen. Die zusätzlichen Kontrollsignale CS_i ermöglichen das Wechseln des Satzes von Zuständen, mit denen die Tracking-Zellen in Zusammenhang stehen. In der vereinfachten Ausgestaltung ohne Rotation wäre Schaltung 1402 nicht vorhanden und die gemittelten Werte würden direkt am entsprechenden Knoten oder Operationsverstärker angelegt werden.
Sobald die V_aves korrekt verbunden sind, werden diese dazu verwendet, die Spannungen von deren entsprechenden Logikpegeln in einer Kette von Widerstandselementen einzustellen. Eher als V_aveHI und V_aveLO direkt an deren entsprechenden Knoten anzulegen, werden diese mit einem entsprechenden Operationsverstärker verbunden, 1421 beziehungsweise 1422, die als Zwischenspeicher agieren. Wenn die Widerstände 1431–1436 vorübergehend nicht berücksichtigt werden, wird angenommen, dass der zweite Input von diesen Operationsverstärkern direkt mit entsprechenden Knoten X und Y verbunden ist. In 14 stehen das Paar von Populationen von Tracking-Zellen mit Logikpegeln 3 und 13 in Zusammenhang, wenn diese mit Knoten X und Y verbunden sind. Jeder Logikzustand i korrespondiert dem Knoten oberhalb Widerstand R_i. Falls die Widerstände R₀-R₁₅ alle gleich sind, wird sich ein linearer Zusammenhang wie in 10 ergeben. Jede Variation der Widerstandswerte, ob beabsichtigt oder aufgrund von Prozessvariationen, wird einen nicht-linearen Zusammenhang hervorrufen, sofern dies nicht anderswo kompensiert wird.
Um dem Satz von Populationen von Tracking-Zellen zu ermöglichen, dass diese anderen Populationen von Tracking-Zellen entsprechen, kann ein Satz Widerstände, wie zum Beispiel 1431–1433 und 1434–1436, eingefügt werden. Durch Verwenden eines Satzes von Kontrollsignalen, hier schematisch als CS_a-CS_c gezeigt, können die höheren Logikpegel, die mit einer Population von Tracking-Zellen in Zusammenhang stehen, Logikpegel 12, 13 (am Knoten Y) oder 14 annehmen. Schaltung 1401 würde das Signal bereitstellen, um den entsprechenden Transistor einzuschalten, wobei die anderen ausgeschaltet sind. Der niedrigere Pegel wird auf gleiche Weise unter Verwendung der Transistoren 1434–1436 und Signalen CS_d-CS_f eingestellt.
Damit die gleiche Relation von V_th als Funktion des Logikpegels, die dazu verwendet wird, die Zellen zu Lesen, auch dazu verwendet wird, die Zellen zu Programmieren, kann die gleiche Lesepunktschaltung zum Programmierprüfen (und jede andere Leseoperation) verwendet werden, wie die, welche zum Extrahieren der Daten verwendet wird. Wenn die Inputs in Operationsverstärker 1421 und 1422 mit V_aveHI und V_aveLO verbunden sind, liegt der Knoten oberhalb jedes Widerstandes R_i an der Spannung V_avei, die zum Durchschnitts-Schwellwert des Logikzustandes i beiträgt, der zum Umrechnen einer Benutzerdatenzelle in einem Logikpegel zum Zeitpunkt des Extrahieren von Daten verwendet wird. Falls stattdessen die Inputs dieser Operationsverstärker mit den Programmierprüfspannungen verbunden sind, hier als V_PVhi und V_PVlo bezeichnet, entsprechen diese Knoten Pegeln des Logikpegels, wenn diese an einem programmierten Zustand am Ende eines Schreibzyklus überprüft werden. In den Beispielen, bei denen die Tracking-Zellen wie die Benutzerzellen in deren zugehörigen Logikzustand programmiert worden sind, wird die gleiche Widerstandskette dazu verwendet, um die Benutzer- und Tracking-Zellen in einem Sektor zu programmieren. Wenn zum Beispiel am Ende des Programmierens eine der Population von Tracking-Zellen mit Logikzustand 3 in Zusammenhang steht, werden die Zellen dieser Populationen und Benutzerzellen, die auf diesen Logikpegel programmiert worden sind, dem Knoten X entsprechen.
Zum Ermöglichen dieser mehrfachen Verwendung der Widerstandskette wird ein Schalter zur Verfügung gestellt, um entweder die V_aves oder die V_PVs mit den entsprechenden Operationsverstärkern zu verbinden. Dies ist nur schematisch in 14 dargestellt, wobei das Paar von Schaltern S_H 1411 und S_L 1412 durch eine der Standardanordnungen implementiert werden könnte und die zusammen tätig sein würden, wobei S_H beziehungsweise S_L mit V_aveHI und V_aveL0 zum Lesen von Datenumrechnung verbunden sind, beziehungsweise mit V_PVhi und V_PVlo zum Programmierprüflesen verbunden sind. Schalter SH 1411 und S_L 1412 würden als Antwort auf ein geeignetes Kontrollsignal betätigt werden, wie zum Beispiel das in 11 bezeichnete Programmsignal PGM, das die Widerstandskette mit den Prüfspannungen verbinden würde, wenn diese angelegt werden und mit den V_aves, wenn diese getrennt werden. V_PVhi und V_PVlo wären die globalen, festgelegten Spannungsreferenzwerte, die zum Leseprüfen während des Programmierens verwendet würden, die durch Band-Gap Referenzspannungsgeneratoren oder andere Referenzgeneratoren auf dem Chip oder durch anderen Standardtechniken erzeugt werden.
Durch Verwenden der Schaltung 1130 zum Eingeben der Daten in und Entnehmen der Daten aus den Speicherzellen werden Nicht-Linearitäten, die in die Relation von V_th als Funktion der Logikpegel während der Programmierung einfließen, automatisch kompensiert, wenn die Schwellwerte zurück in Logikzustände umgerechnet werden. Dies tritt auf, wenn die Nicht-Linearität beabsichtigt ist oder nicht. Zum Beispiel können aufgrund von Prozessvariationen Bauelementfehlanpassungen einen nicht-einheitlichen Abstand von Schwellbereichen hervorrufen; wenn jedoch die gleiche Fehlanpassung auftritt, wenn die Benutzerzellen zurück zu Logikpegeln umgerechnet werden, wird dieser Effekt weitgehend rückgängig gemacht. Alternativ könnte eine Wahl einer Bauart vorgenommen werden, um Zustände dichter in, angenommen, den niedrigeren Teil des Schwellfensters zu packen. Dies kann erreicht werden, indem für die Widerstände am unteren Ende der Kette kleinere Werte gewählt werden als am oberen Ende. Die Nicht-Linearität wird während des Programmierens automatisch eingebracht und während des Lesens beseitigt, ohne die Art von Performanceverlust, die eine berechnende Implementierung einbringen würde. Um auf die gleiche Weise die Einflüsse anderer Fehlanpassungen von Bauelementen bei Lese/Schreib und Tracking/Benutzer-Zellen Asymmetrien zu reduzieren, wird das gleiche Bauelement an den Drains von beiden Referenzzellen und Datenzellen für deren entsprechende analoge Leseverstärker und Leseverstärker mit den gleichen Stromspiegeln verwendet, die für die Referenzströme verwendet werden.
Bisher wurde in 14 nur das Zentrum der V_th-Verteilung betrachtet, das an der Spannung an den Knoten zwischen den Widerständen R_izentriert ist, und die dazwischenliegenden Breakpoints wurden nicht besprochen, die zum Unterscheiden zwischen Zuständen verwendet werden und wie diese generiert werden. 15 ist ein Detail von 14, das einen der Widerstände R_i zeigt und wo dieser festgelegt ist, um die verschiedenen verwendeten Werte zur Verfügung zu stellen.
Jeder Widerstand R, ist in eine Sub-Kette von Widerständen aufgeteilt, wobei hier acht Widerstände angenommen werden, um die Breakpoint Lesepunkte und andere dazwischen liegende Werte, die im Leseprozess verwendet werden, zur Verfügung zu stellen. Hier ist der Breakpoint BP_i,(i-1) in der Mitte zwischen dem gesetzt, was als Durchschnittswert für die Schwellspannungen der Zustände i und (i-1), V_avei und V_ave(i-1) verwendet wird. Andere Lesepunkte werden auf die gleiche Weise herausgenommen. Ein niedriger Grenzwert für den Zustand i und ein hoher Grenzwert für den Zustand (i-1), V_mli beziehungsweise V_mh(i-1) sind als am Knoten gerade oberhalb und unterhalb dem von BP_i,(i-1) liegend gezeigt. Wie nah die Grenzwerte zu den korrespondierenden V_ave Werten gewählt werden, bestimmt, wie dicht die Verteilung um diesen Wert zusammengedrängt ist, wenn geschrieben wird. Die Anzahl von Knoten wird vom gewünschten Betrag der Auflösung und der Anzahl von gewünschten verschiedenen Arten von Lesepunkten bestimmt, wie zum Beispiel die verschiedenen Lesepunkte, die in US-Patent Nummer 5,532,962 beschrieben werden.
Abhängig von den gewünschten Betriebsmerkmalen können erneut die Widerstände R_i,0-R_i,7 der Sub-Kette mit ungleichen Werten verwendet werden, falls eine nichtgleichmäßige Verteilung der Werte der Knoten gewünscht ist.
Alternative Programmierung von Tracking-Zellen
In jeder der bisher beschriebenen Ausgestaltungen wurde weitgehend angenommen, dass die Tracking-Zellen in der gleichen Weise wie die Benutzerdatenzellen programmiert werden. Diese Referenzzellen werden mit dem gleichen Algorithmus wie die Benutzerzellen beschrieben unter Verwendung von Programmierpulsen der gleichen Intensität, der gleichen Dauer und werden am gleichen Pegel geprüft. Obwohl dies gleiche Historien und Verteilungen sowohl für die Tracking-Zellen als auch die Benutzerzellen hervorruft, kann bei manchen Anwendungen ein Beispiel verwendet werden, das die Tracking-Zellen unterschiedlich programmiert.
Beschreibbare Referenzzellen haben Unsicherheiten in deren geschriebenen Schwellwerten. Wenn diese Schwelle dazu verwendet wird, den Logikpegel, auf den eine Benutzerzelle beschrieben wurde, zu ermitteln, ist diese Unsicherheit eine signifikante wahrscheinlichkeitstheoretische Fehlergröße. Es wird das Szenario angenommen, bei dem die Unsicherheit geschriebener Schwellen für Speicherzellen 105 mV sein kann. Falls die Referenzzellen die gleiche Unsicherheit von 105 mV haben, kann der Spannungsunterschied zwischen einer Speicherzelle und einer Referenzzelle 105 mV betragen. Falls die Spannungstrennung zwischen Pegeln 200 mV beträgt, werden Speicherzellen vorhanden sein, die Schwellen haben, deren Werte näher als die einer Referenzzelle für einen benachbarten Logikpegel sind als die der Referenzzelle für den richtigen Logikpegel. Dies wird einen Lesefehler einer derartigen Speicherzelle hervorrufen.
Die Unsicherheit der geschriebenen Schwellen kann unter Verwendung von mehr Zeit zum Schreiben aller Referenzzellen und Benutzerzellen verringert werden. Zum Beispiel kann ein kürzerer Schreibpuls verwendet werden. Dies führt zu einer kleineren Änderung der Schwelle für jeden Schreibpuls und daher zu einer feineren Auflösung (weniger Unsicherheit) der endgültigen Schwelle. Dieses Schema impliziert jedoch, dass die Zelle öfter gegenüber der Zielschwelle überprüft wird, was bedeutet, dass mehr Zeit für die Leseoperationen verwendet wird. Dies reduziert die gesamte Schreibgeschwindigkeit, was kein akzeptabler Kompromiss für einige Anwendungen wie zum Beispiel Streaming Videospeicherung sein kann.
Anstelle die Tracking-Zellen unter Verwendung gleicher Spannungen und Timing zu beschreiben, wie die, welche für die Speicherzellen verwendet werden, was zur gleichen Schwell-Unsicherheit für die Populationen von Tracking-Zellen wie für die Speicherzellen führt, können diese zwei Typen von Zellen unterschiedlich beschrieben werden. Falls Streuung von Referenzzellen reduziert wird, reduziert dies die Fehlergröße, die durch Unsicherheiten der Referenzzellenschwellen eingebracht wird. Sowohl die mittlere als auch die maximalen Abweichungen zwischen den Referenz- und Benutzerzellen-Schwellen kann reduziert werden. Dies kann durchgeführt werden, ohne die gesamte Lesegeschwindigkeit signifikant zu beeinflussen.
In einem Beispiel wird eine niedrigere Control Gate und/oder Drain Spannung für Referenzzellen als für Benutzerspeicherzellen verwendet. Niedrigere Spannungen reduzieren die Programmiergeschwindigkeit für die meisten Schreiboperationen nichtflüchtiger Speicherzellen. Wenn das gleiche Timing wie für die Benutzerspeicherzellen verwendet wird, ergibt sich eine geringere Änderung der Schwelle für die Durchschnitts-Referenzzelle als die Durchschnitts-Benutzerzelle für den gleichen Betrag der Schreibzeit. Typischerweise besteht der Schreibalgorithmus aus mehreren Schreibpulsen mit zwischenzeitlichen Vergleichen der Zellschwelle mit einem endgültigen Zielwert. Daher führt langsameres Beschreiben der Zellen mit geringerer Änderung der Schwelle pro Schreibpuls zu geringerer Unsicherheit der endgültigen Schwelle.
Sogar wenn die Durchschnitts-Referenzzelle langsamer als die Durchschnitts-Benutzerzelle beschrieben wird, kann die am langsamsten beschriebene Referenzzelle gewöhnlich das Schreiben auf den Zielwert so schnell wie die langsamste Benutzerzelle beenden. Es wird der Fall angenommen, bei dem 1000 Benutzerzellen und 20 Referenzzellen pro Schreibblock vorhanden sind und die Schreibgeschwindigkeiten der Zellen normalverteilt sind. Bei 1000 Benutzerzellen schreibt die langsamste Zelle σQ^–1(1/1000) 3,1 σ langsamer als die Durchschnitts-Zelle, wobei Q= Gaußsche Summenverteilungsfunktion und σ seine Standardabweichung ist. Für die 20 Benutzerzellen schreibt die langsamste Zelle σQ^–1(1/20) = 1,5 σ langsamer als die Durchschnitts-Zelle. Demzufolge schreibt bei einer typischen Verteilung die langsamste Zelle 3,1 σ/1,5 σ = 2,07 mal langsamer als die langsamste Tracking-Zelle. Daher können die Referenzzellen ungefähr zweimal langsamer als die Benutzerzellen beschrieben werden und infolgedessen mit einer ungefähr zweifach besseren Auflösung, ohne die gesamte benötigte Schreibzeit für die gesamte Population von Zellen zu beeinflussen. Im obigen Beispiel könnte die Unsicherheit der Referenzschwelle von 105 mV auf 105/2,07 = 51 mV reduziert werden. Der größte Unterschied zwischen Benutzerzellen- und Referenzzellen-Schwellen wird dadurch von 105 mV auf (105 + 51)/2 = 78 mV reduziert, eine Verbesserung um 26%.
In einem weiteren Beispiel können die gleichen Spannungen zum Programmieren der Benutzerzellen und Referenzzellen verwendet werden, aber es kann ein unterschiedlicher Schreibtakt für die Referenzzellen verwendet werden. Speziell wenn kürzere Schreibpulse für die Referenzzellen verwendet werden können, können diese mit einer besseren Auflösung beschrieben werden. Es wird wieder das oben beschriebene Szenario angenommen: 1000 Benutzerzellen und 20 Referenzzellen. Darüber hinaus wird ein Schreib/Prüf-Zyklus angenommen, bei dem die Prüfzeit 20% die der Schreibzeit beträgt. Damit soll die gesamte Schreib- plus Prüf-Zeit für die langsamsten Benutzerzellen und langsamsten Referenzzellen berechnet werden. Folgende Gleichungen sind gegeben: Gesamtzeit zum (Schreiben + Prüfen) für Benutzerzellen = (Tpu + 0,2 Tpu)N (1) wobei T_pu die Schreibpulsbreite der Benutzerzelle ist und N die Anzahl von Schreibpulsen ist, die für die langsamste Benutzerzelle erforderlich ist. Ebenso: Gesamtzeit zum (Schreiben + Prüfen) für Tracking-Zelle = (Tpref + 0,2 Tpref)M (2)wobei die Schreibpulsbreite der Referenzzelle ist und M die Anzahl von Schreibpulsen ist, die für die langsamste Referenzzelle erforderlich ist. Also ist erforderliche Schreibzeit für langsamste Benutzerzelle = Tpu N (3)und erforderliche Schreibzeit für die langsamste Referenzzelle = TprefM (4)
Die vorhergehenden Berechnungen zeigen, dass die langsamste Benutzerzelle die 2,07 fache Zeit der Schreibzeit der langsamsten Referenzzelle erfordert. Somit TpuN = 2,07 TprefM (5)
Auflösen von (1), (2) und (3) nach T_pref ergibt Tpu = 7,7 Tpref.
Dies gibt an, dass der Schreibpuls der Referenzzelle 7,7 mal kürzer als der Schreibpuls der Benutzerzelle sein kann, und immer noch das Schreiben der langsamsten Referenzzelle in der gleichen Zeit wie die langsamste Benutzerzzelle ausführt.
Daher können die Referenzzellen mit einer 7,7 fach besseren Auflösung beschrieben werden. Im Falle bei dem die Unsicherheit der Benutzerzelle 105 mV beträgt, ergibt dies eine Unsicherheit der Referenzzelle von weniger als 14 mV. Dies reduziert die größte Differenz zwischen der Benutzerzellenschwelle und Referenzzellenschwelle auf (105 + 14)/2 < 60 mV. Dies kann signifikant die Fehlerrate bei Verwendung der Referenzzelle reduzieren, um den korrekten in der Benutzerzelle gespeicherten Logikpegel zu ermitteln. Ungekehrt könnte dies ermöglichen, Logikpegel enger aneinander anzuordnen, den erforderlichen Schwellbereich reduzieren oder möglicherweise sogar mehr Pegel ermöglichen, die pro Zelle gespeichert werden.
Diese Berechnungen sind Wahrscheinlichkeitsberechnungen und es kann vorkommen, dass eine bestimmte Zelle in einer Population von Tracking-Zellen in dieser Zeit nicht überprüft werden kann. Wie die anderen obigen Beispiele, bei denen die Tracking- Zellen mit dem gleichen Algorithmus wie die Benutzerzellen programmiert werden, kann die fehlerhafte Referenzzelle entweder zu einer neuen Zelle gemappt werden oder einfach aus der Population entfernt werden da diese keine Benutzerzellen enthält.
Die Verwendung eines unterschiedlichen Timings für Tracking-Zellen als für Benutzerzellen führt zu einer Kontrolllogik, die komplexer und typischerweise doppelt so aufwendig wie bei Verwendung des gleichen Timings für alle Zellen ist. Das Beschreiben der Tracking-Zellen wird mehr AC-Leistung erfordern, da die erforderlichen kürzeren Pulse zu mehr Signalschalten führt. Auch kann mehr Rauschen durch gleichzeitiges Schreiben von Benutzerzellen und Lesen von Tracking-Zellen (und andersherum) generiert werden, was eine Fehlergröße beim Lesen der Zellschwellen erzeugt. Diese Nachteile können jedoch ein Ausgleich durch die verbesserte Verteilung von Tracking-Zellschwellen sein.

Claims

Mehrzustandsspeicher, der eine Vielzahl von Mehrzustandsspeicherzellen (1150) aufweist, wobei jede dazu vorgesehen ist, einen aus einer Vielzahl von N Zuständen zu speichern, eine Vielzahl von M Tracking-Zellen Populationen (1111, 1112, 1121, 1122), wobei jede eine Vielzahl von Tracking-Zellen umfasst, wobei jede der Populationen mit einem der Zustände in Zusammenhang steht, und eine Übersetzungsschaltung (1130) dazu vorgesehen ist, die Mehrzustandsspeicherzellen, unter Verwendung von Lesepunkten für jeden aus der Vielzahl der Zustände auszulesen, wobei die Lesepunkte dazu vorgesehen sind, zwischen benachbarten Zuständen aus der Vielzahl der Zustände zu unterscheiden, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzungsschaltung eine Lesepunkt-Schaltung umfasst, welche dazu vorgesehen ist, zumindest (N-1) Lesepunkte aufzustellen unter Verwendung des analogen Spannungswertes des programmierten Zustands von jeder der M Tracking-Zellen Populationen durch Ermitteln einer Relation zwischen den Schwellenspannungen der Mehrzustandsspeicherzellen und logischen Werten aus der Vielzahl der Zustände aus den Schwellenspannungen der Tracking-Zellen Populationen, ohne die Schwellenspannungen der Tracking-Zellen Populationen in digitale Werte umzuwandeln und durch Übersetzen der Relation in Lesepunkte, M kleiner als die Anzahl der Lesepunkte ist, und eine Lese- und Programmierprüfschaltung (1140) mit der Lesepunktschaltung verbunden ist, um die zumindest (N-1) Lesepunkte zu empfangen und um die Mehrzustandsspeicherzellen durch Vergleichen der Lesepunkte mit den Schwellenspannungen der Mehrzustandsspeicherzellen zu lesen.
Mehrzustandsspeicher gemäß Anspruch 1, wobei M gleich zwei ist.
Mehrzustandsspeicher gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, ferner umfassend Programmierschaltungen, welche mit den Tracking-Zellen Populationen und den Lese/Schreib-Schaltungen verbindbar sind, wobei die Tracking-Zellen wiederbeschrieben werden können.
Mehrzustandsspeicher gemäß Anspruch 3, wobei die Lese/Schreib-Schaltungen in der Lage sind, die Tracking-Zellen zu prüfen, wenn diese wiederbeschrieben werden.
Mehrzustandsspeicher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anzahl von Lesepunkten größer als N ist.
Mehrzustandsspeicher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Übersetzungsschaltung Schaltungen enthält, wobei derjenige der Zustände, mit dem eine Population in Zusammenhang steht, verändert werden kann.
Mehrzustandsspeicher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Relation eine Kurve (M-1). Grades ist.
Mehrzustandsspeicher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Relation stückweise linear ist.
Mehrzustandsspeicher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Übersetzungsschaltung Schaltungen enthält, mit denen die (N-1) Lesepunkte durch Ermitteln einer Zuordnung aufgestellt werden, um für jede der Populationen von Tracking-Zellen einen Zustand zu ermitteln, mit dem diese in Zusammenhang steht.
Mehrzustandsspeicher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Speicherzellen in einer Vielzahl von Sektoren organisiert sind, wobei jeder der Sektoren eine zugehörige Vielzahl von M Tracking-Zellen Populationen und einen zugehörigen Satz von Lesepunkten aufweist.
Verfahren zum Betrieb eines Mehrzustandsspeicher, der eine oder mehrere Mehrzustandsspeicherzellen (1150) aufweist, wobei jede Zelle dazu vorgesehen ist, einen aus einer Vielzahl von N Zuständen zu speichern und eine Vielzahl von M Tracking-Zellen Populationen (1111, 1112, 1121, 1122) aufweist, wobei jede Population eine Vielzahl von Tracking-Zellen umfasst, wobei jede Population mit einem der Zustände in Zusammenhang steht, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest (N-1) Lesepunkte aufgestellt werden unter Verwendung des analogen Spannungswertes des programmierten Zustandes von jeder der M Tracking-Zellen Populatio nen durch Ermitteln einer Relation zwischen den Schwellenspannungen der Mehrzustandsspeicherzellen und den logischen Werten aus der Vielzahl der Zustände aus den Schwellenspannungen der Tracking-Zellen Populationen, ohne die Schwellenspannungen der Tracking-Zellen Populationen in digitale Werte umzuwandeln, und durch Übersetzen der Relation in Lesepunkte, M kleiner als die Anzahl der Lesepunkte ist, und die Schwellenspannungen der Mehrzustandsspeicherzellen in logische Werte aus der Vielzahl der Zustände unter Verwendung der Lesepunkte umgewandelt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei M gleich zwei ist.
Verfahren gemäß Anspruch 11 oder Anspruch 12, wobei die Anzahl von Lesepunkten größer als N ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11–13, wobei die Relation eine Kurve (M-1). Grades ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11–13, wobei die Relation stückweise linear ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die (N-1) Lesepunkte durch Ermitteln einer Zuordnung aufgestellt werden, um für jede der Populationen von Tracking-Zellen einen Zustand zu Ermitteln, mit dem diese in Verbindung steht.