[发明专利]具有减少的验证的改进的编程的非易失性存储器和方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及非易失性半导体存储器，诸如电可擦除的可编程只读存储器（EEPROM）和闪速EEPROM，并且特别地涉及甚至以减少的数目的编程-验证操作来保持紧密的阈值电压分布的存储器和编程操作。

背景技术

能够非易失性地存储电荷的固态存储器、尤其是以包装为小的外形卡的EEPROM和闪速EEPROM的形式最近已成为在各种移动和手持设备、特别是信息家电和消费类电子产品中的存储器的选择。与也是固态存储器的RAM（随机存取存储器）不同，闪存（或闪速存储器）是非易失性的，并且即使在电源被关闭以后也保留其存储的数据。尽管成本较高，闪速存储器被越来越多地用在海量存储应用中。传统的大容量存储、基于旋转磁介质（诸如硬盘驱动器和软盘）不适于移动和手持式的环境。这是因为磁盘驱动器往往是笨重的，容易出现机械故障，并具有高延迟和高功率的要求。这些不期望的属性在大多数移动和便携式应用中使基于磁盘的存储器不切实际。另一方面，闪速存储器——包括嵌入式的和以可移动卡的形式——理想地适合于移动和手持的环境中，这是因为它的小尺寸，低功耗、高速和高可靠性的特点。

EEPROM和电可编程只读存储器（EPR0M）是可擦除并且使新的数据写入或“编程”到它们的存储器单元的非易失性存储器。两者都利用场效应晶体管结构中的在半导体衬底中的在源极区和漏极区之间的沟道区上方的浮置（未连接）的导电栅极。然后在浮置栅极上方提供控制栅极。由被保持在浮置栅极上的电荷量来控制晶体管的阈值电压特性。也就是说，对于浮置栅极上的给定的电荷水平，存在在晶体管被“接通”以允许它的源极区和漏极区之间的导电之前必须被应用到控制栅极的相应的电压（阈值）。

浮置栅极可以容纳一个范围的电荷，因此可以被编程为阈值电压窗口内的任何阈值电压电平。以设备的最小和最大阈值电平来界定阈值电压窗口的大小，其又相应于可以编程到浮置栅极的电荷的范围。阈值窗口通常依赖于存储器设备的特性、操作条件和历史。理论上，窗口内的每个不同的可分辨的阈值电压电平范围可以被用来指定单元的确定的存储器状态。当阈值电压被划分为两个不同的区域时，每个存储器单元能够存储一位数据。类似地，当阈值电压窗口被分隔为两个以上的不同的区域时，每个存储器单元将能够存储多于一位数据。

在通常的两状态EEPROM单元中，建立至少一个电流断点电平，从而将导电窗口分隔成两个区域。当通过施加预定的固定电压来读取单元时，通过与断点电平（或参考电流IREF）相比较来将其源极/漏极电流决定为存储器状态。如果电流读数高于断点电平的电流读数，则该单元被确定为处于一个逻辑状态（例如，“零”状态）。另一方面，如果电流小于断点电平的电流，该单元被确定为在其他逻辑状态（例如，“一”状态）。因此，这样的两状态单元存储一个位的数字信息。可以是外部可编程的参考电流源通常被提供作为存储器系统的部分以产生断点电平电流。

为了提高存储器容量，随着半导体技术的状况进步，正以越来越高的密度制作闪速EEPROM器件。提高存储容量的另一种方法是，使每个存储器单元存储多于两种状态。

对于多状态或多级EEPROM存储器单元，导电窗口被多于一个断点分隔为多于两个的区域，使得每个单元能够存储多于一位数据。因此，给定的EEPROM阵列可以存储的信息随着每个单元可存储的状态的数量而增加。已经在美国专利No.5172338中描述了具有多状态或多级的存储器单元的EEPROM或闪速EEPROM。

作为存储器单元的晶体管通常通过两个机制之一被编程为“已编程”状态。在“热电子注入”中，施加到漏极的高电压使电子加速越过衬底沟道区。同时，施加到控制栅极的高电压将热电子拉过薄栅极电介质到浮置栅极。在“隧道注入”中，相对于衬底，高电压被施加到控制栅极。以这种方式，电子从衬底被拉到中间的浮置栅极。

可以通过许多机制擦除存储器设备。对于EPR0M，存储器可以通过从浮置栅极清除电荷或者紫外线照射来批量擦除。对于EEPROM，通过相对于控制栅极施加高电压到衬底，以诱导浮置栅极中的电子隧穿过薄氧化物到衬底沟道区（即，Fowler-Nordheim隧穿）。通常，EEPROM是按字节可擦除的。对于闪速EEPROM，存储器是电可擦除的，或者一次全部或在一次一个块或多个块，其中一块可以包括存储器的512个或更多个字节。

存储器设备通常包括可以安装在卡上的一个或多个存储器芯片。每个存储器芯片包括外围电路、诸如解码器和擦除、写入和读取电路支持的存储器单元的阵列。更加复杂的存储器设备与执行智能化的和更高级别的存储器操作和接口的外部存储器控制器一起操作。