JP2008300018A - 不揮発性メモリおよびその書き換え方法 - Google Patents

不揮発性メモリおよびその書き換え方法 Download PDF

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Abstract

【課題】書き込み単位(例えばページ単位)未満のデータの書き換えを行う場合であっても、高速の書き込みが可能な不揮発性メモリおよびその書き換え方法を提供する。
【解決手段】ページ単位よりもサイズが小さい書き換え用のデータを、コントローラ210のバッファメモリA214からフラッシュメモリ220のページバッファ224の一部分に転送する。次にメモリセルアレイ221の所定のアドレスに記録されたページ単位のデータをセンスアンプ223に読み出す。センスアンプ223に読み出されたページ単位のデータのうち、書き換えを行わない部分のデータをページバッファ224の他の部分に転送する。最後にページバッファ224に格納されたページ単位のデータを、メモリセルアレイ221に書き込む。
【選択図】図3

Description

本発明は、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリおよびその書き換え方法に関する。
近年、半導体の不揮発性メモリであるフラッシュメモリを搭載したメモリーカードは、デジタルカメラや携帯電話をホスト機器とした記憶媒体としてその市場を拡大している。そして半導体のプロセスルールの進化に伴い、メモリーカードの容量は増加している。メモリーカードの容量の増加は、もちろんメモリーカードに搭載されている不揮発性メモリであるフラッシュメモリの容量の増加によるところが大きい。
フラッシュメモリは物理ページ単位で書き込みを行い、複数の物理ページからなる物理ブロック単位で消去を行う。またフラッシュメモリは、書き込み済みの物理ページにはデータを上書きすることができないので、データを書き換える際に、一度物理ブロック単位でデータを消去した後に書き込みを行う必要がある(特許文献1の「背景技術」参照)。
従って、消去単位である物理ブロック未満のデータを書き換える際には、同じ物理ブロックにある、書き換え対象のデータ以外のデータを併せて物理ブロック単位で書き換え処理を行う必要がある。つまりそのことは、書き換え対象のデータ以外のデータをコピーするのに要する時間が、物理ブロック未満のデータの書き込みをする時の性能に影響することを意味する。
上述した特徴を持つフラッシュメモリは、容量の増加に伴い、一度に書き込みが行われるデータの書き込みの最小単位や、一度に消去が行えるデータの消去の最小単位のサイズも大きくなる。以下に、容量の増加に伴い、データの書き込みの最小単位や消去の最小単位のサイズが大きくなる理由を簡単に説明する。
データの書き込みの最小単位やデータの消去の最小単位のサイズを固定にしたままフラッシュメモリの容量を増加させた場合には、相対的にフラッシュメモリチップに含まれるデータの書き込み単位の数や、データの消去単位の数が増加することになる。このことは、データの書き込みや消去に必要な周辺回路の数が増加する、つまりフラッシュメモリチップにおける周辺回路の面積占有率が上がることを意味する。結果としてフラッシュメモリのプロセスルールを微細化しても、微細化に見合うフラッシュメモリの容量の増加が見込めなくなる。従って、フラッシュメモリのプロセスルールの微細化に伴いデータの書き込みの最小単位やデータの消去の最小単位のサイズを大きくすることは必然である。
しかしながら、メモリーカードを取り扱うホスト機器がメモリーカードに対して行うデータの書き込みや読み出しの単位は、メモリーカードの容量にあわせて変化することなく従来のままである。一般的には、セクターと呼ばれる単位でデータの書き込みや読み出しが行われ、そのサイズは512Bであり、フラッシュメモリへの書き込みの最小単位である物理ページよりも小さい。
そのため、ホスト機器から物理ページ単位よりも小さなサイズの書き込み用データがフラッシュメモリに転送される場合には、データの一部分をフラッシュメモリに記憶されたデータで書き換える必要が生ずる。この場合、書き込み単位である物理ページの中に、データの書き換えを行う部分と、もとのデータのコピーを行う部分とが混在することになる。
特開2006−73141号公報
一般的に、フラッシュメモリは物理ページ単位のデータを書き込むために、物理ページと同一サイズのページバッファを有している。ホスト機器からフラッシュメモリに対してデータの書き込みを指示する際には、ページバッファに書き込みデータを転送したうえで、物理ページ単位でメモリセルアレイに書き込みを行う。またフラッシュメモリからデータを読み出す際にも、データをメモリセルアレイから物理ページ単位でページバッファに転送し、その後、そのデータを順次ホスト機器へと出力する。
従って、フラッシメモリに物理ページよりも小さなサイズのデータを書き込む際には、物理ページ単位のデータのうち、書き込みのためホスト機器から転送されるデータ以外の部分にフラッシュメモリに記憶されたデータをコピーする必要がある。データのコピーを行うためには、まずコピー対象のデータをフラッシメモリから読み出す必要があるが、上述したように従来のフラッシメモリは、データを物理ページ単位でページバッファへ読み出すように構成されている。従って、既にホスト機器からページバッファに転送済みのデータがあっても、フラッシメモリから読み出されたデータによって上書きされるため、改めてデータの転送を行う必要があり、書き込み処理に要する時間が長くなるという問題があった。
本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、不揮発性メモリに所定の書き込み単位(例えばページ単位)未満のデータの書き込みを行う場合であっても、高速の書き込みが可能な不揮発性メモリおよびその書き換え方法を提供する。
上記課題を解決するために本発明に係る不揮発性メモリは、
電気的に書換え可能な複数の不揮発性のメモリセルが配列され、ページ単位でのデータの読み出しおよび書き込みが可能、かつデータの読み出しおよび書き込みの最小単位が前記ページ単位であるメモリセルアレイと、
前記メモリセルアレイの各ビット線に接続され、前記メモリセルアレイに書き込まれるページ単位のデータが一時的に保持されるページバッファと、
前記メモリセルアレイの各ビット線に接続され、前記メモリセルアレイから読み出されたページ単位のデータの信号を増幅するセンスアンプとを具備し、
前記センスアンプから前記ページバッファへのデータの転送は、全体でページ単位を構成する複数の部分領域単位で選択的に行うことが可能なことを特徴とする。
本発明に係る不揮発性メモリは、前記センスアンプに格納されたデータを前記部分領域単位で前記ページバッファに転送するセレクトゲートを更に具備することが好ましい。
また本発明に係る不揮発性メモリは、前記複数の部分領域のサイズが全て同じであり、更に前記部分領域のサイズが、512バイトをセクターの単位として、1セクター以上かつ2セクター未満であることが好ましい。
また、上記課題を解決する本発明に係る不揮発性メモリの書き換え方法は、
電気的に書換え可能な複数の不揮発性のメモリセルが配列され、ページ単位でのデータの読み出しおよび書き込みが可能、かつデータの読み出しおよび書き込みの最小単位が前記ページ単位であるメモリセルアレイと、
前記メモリセルアレイの各ビット線に接続され、前記メモリセルアレイに書き込まれるページ単位のデータが一時的に保持されるページバッファと、
前記メモリセルアレイの各ビット線に接続され、前記メモリセルアレイから読み出されたページ単位のデータの信号を増幅するセンスアンプとを具備した不揮発性メモリの書き換え方法であって、
ページ単位よりもサイズが小さい書き換え用のデータを前記不揮発性メモリの外部から転送して前記ページバッファの一部分に格納する第1のステップと、
前記メモリセルアレイの所定のアドレスに記録されたページ単位のデータを前記メモリセルアレイから前記センスアンプに読み出す第2のステップと、
前記センスアンプに読み出されたページ単位のデータのうち、書き換えを行わない部分のデータを前記ページバッファの他の部分に格納する第3のステップと、
前記ページバッファに格納されたページ単位のデータを、前記メモリセルアレイに書き込む第4のステップとを含むことを特徴とする。
本発明に係る不揮発性メモリの書き換え方法は、前記第3のステップと前記第4のステップの間に、前記第3のステップで前記ページバッファに格納された、前記書き換えを行わない部分のデータを、前記不揮発性メモリの外部に読み出す第5のステップを更に含むことが好ましい。
本発明によれば、不揮発性メモリに書き込みを行うデータサイズが物理ページ単位よりも小さく、部分的に書き換えを行う必要がある場合においても、不揮発性メモリに転送済みのデータを再転送することなく書き込みができる。結果、小さなデータの書き込み処理時間を短縮することが可能となる。
図1に、本発明に係る不揮発性メモリを記録媒体として使用したメモリーカードと、このメモリーカードに接続されたホストの構成を示す。メモリーカード200はコントローラ210と不揮発性メモリであるフラッシュメモリ220で構成されている。ホスト100はメモリーカード200に対してデータの書き込みや読み出しを行う。図中、細い矢印はコマンド等の制御信号を転送する配線を示し、太い矢印はデータを転送する配線を示す。以後も同様とする。
図2にコントローラ210の構成を示す。コントローラ210は、マイクロプロセシングユニット(以降、MPUと表記)211、論物変換テーブル212、消去ブロックテーブル213、バッファメモリA214、バッファメモリB215、およびセレクタ216,217を含む。
コントローラ210はホスト100とのインターフェースを管理するとともに、フラッシュメモリ220の制御を行う。これらの管理や制御は、MPU211が中心となって行う。論物変換テーブル212は揮発性のメモリで構成され、ホスト100が指定するアドレス(以降、論理アドレスと表記)とフラッシュメモリ220のアドレス(以降、物理アドレスと表記)との対応関係を記憶する。消去ブロックテーブル213は揮発性のメモリで構成され、フラッシュメモリ220の消去済みで書き込み可能な物理ブロックの情報を記憶する。MPU211は、論物変換テーブル212と消去ブロックテーブル213を用いてフラッシュメモリ220に書き込まれるデータの管理を行う。
バッファメモリA214とバッファメモリB215は、ホスト100とフラッシュメモリ220間を転送されるデータを一時的に格納する。MPU211は、ホスト100との間のデータ転送において、セレクタ216を制御することでバッファメモリA214とバッファメモリB215を選択的に切替えながら使用する。同様にMPU211は、フラッシュメモリ220との間のデータ転送においてセレクタ217を制御することで、バッファメモリA214とバッファメモリB215とを選択的に切替えながら使用する。
またMPU211は、フラッシュメモリ220に対してデータの書き込みや読み出しを行う際に誤り訂正符号を付加したり、誤りの訂正を行ったりする。更にMPU211は、フラッシュメモリ220の物理ブロック毎のウェアレベリング(書き込み回数の平滑化)も行う。
図3に本発明の実施の形態に係るフラッシュメモリ220の構成を示す。フラッシュメモリ220は、メモリセルアレイ221、ワードラインドライバー222、センスアンプ223、ページバッファ224および制御回路225を含む。メモリセルアレイ221は電気的に書換え可能な複数の不揮発性のメモリセルが配列されて構成されている。またメモリセルアレイ221は消去単位である複数の物理ブロックからなり、物理ブロックは書き込み単位である複数の物理ページからなる。物理ページは書き込みの最小単位でもある。ここでは物理ページのサイズは2Kバイト+64バイトとする。64バイトは管理情報を書き込む領域であり、実際にデータを書き込む領域は物理ページ当たり2Kバイトである。
メモリセルアレイ221の容量は、物理ページがPage0〜Page65535の65536個で1Gビット(128Mバイト=2Kバイト×65536)になる。
メモリセルアレイ221は、横方向にワード線が延び、縦方向にビット線が延びるマトリックス構造をとっている。横方向のワード線を駆動するのがワードラインドライバー222である。ワードラインドライバー222は、書き込みの最小単位である物理ページのそれぞれを独立して駆動することが可能であるが、その構成からわかるように1本のワードラインを分割して駆動することは出来ない。
メモリセルアレイ221の各ビット線にはセンスアンプ223とページバッファ224が繋がっている。センスアンプ223は直接ビット線と接続され、メモリセルアレイ221の各ビット線から読み出されたデータの信号を増幅する。ページバッファ224はカラムゲート226およびセレクトゲート227を介してビット線に接続され、メモリセルアレイ221から読み出された、もしくはメモリセルアレイ221に書き込まれる物理ページ単位のデータを一時的に保存する。
制御回路225はフラッシュメモリ220内部の制御を行う。制御回路225は、データを読み出す際にセンスアンプ活性化信号(SA)でセンスアンプ223を活性化する。また制御回路225は、データを書き込む際にはカラムゲート制御信号(CG)でカラムゲート226をオープンして、ページバッファ224のデータをメモリセルアレイ221のビット線に伝達する。
データ読み出し時におけるセンスアンプ223からページバッファ224へのデータの伝達は、4個に分割されたセレクトゲート227によって選択的に行われる。制御回路225は、データを読み出す際には、セレクトゲート信号(SG0〜SG3)によってセレクトゲート227の4個のゲートのうち必要なゲートを選択的にオープンにして、センスアンプ223のデータをページバッファに伝達する。
ページバッファ224は、セレクトゲート227の各ゲートに対応して4つの部分領域に分割されており、各領域は512バイト+16バイトのサイズである。16バイトは管理情報を書き込む領域であり、実際にデータを書き込む領域は512バイトである。これはホスト100が取り扱うデータの単位(セクター)に合わせている。
例えば、セレクトゲート制御信号SG0によってセレクトゲート227の1番目のゲートをオープンにすることで、先頭の部分領域に対応するデータS0がセンスアンプ223からページバッファ224に転送される。第2〜第4の部分領域に対しても、同様にセレクトゲート227の2番目〜4番目のゲートをオープンにすることで、各部分領域に対応するデータがセンスアンプ223からページバッファ224に転送される。
次に、図4のタイミングチャートを参照して、フラッシメモリ220のデータを書き換える際の動作について説明する。図4において(A)はコントローラ210のバッファメモリA214からページバッファ224へのデータの流れ、(B)はページバッファ224からバッファメモリA214へのデータの流れ、(C)はコントローラ210のMPU211から制御回路225へのコマンドの流れ、(D)はビジー信号を示す。また(E)はページバッファ224の部分領域に保持されるデータS0〜S3の様子を示し、ハッチング部分はデータが無効であることを表している。
最初に、ホスト100がメモリーカード200にデータの書き込みを指示し、書き込みデータをメモリーカード200に転送する。それに応じて、コントローラ210は書き込みデータをバッファメモリA214に一時的に格納していく。本実施の形態では、3セクター分のデータS0〜S2をメモリーカード200に書き込むこととする。
バッファメモリA214に書き換え用のデータが格納されると、図4(C)に示すように、コントローラ210のMPU211は、時間t401でフラッシュメモリ220に対してTransコマンドを発行する。この段階では、ページバッファ224には有効なデータが格納されていない。そして、図4(A)に示すように、コントローラ210のバッファメモリA214からフラッシュメモリ220のページバッファ224へデータの転送が開始される。
時間t401から時間t402の区間P1において、3セクター分のデータS0,S1,S2が順次転送される。ページバッファ224の第1〜第3の分割領域には順次有効なデータ、すなわちホスト100からの書き込み用データS0〜S2が格納されていく。
ホスト100からの書き込みデータの転送が終了した段階で、コントローラ210は、ホスト100から転送されたデータ(S0〜S2)をフラッシュメモリ220に書き込む必要がある。しかし、バッファメモリA214に格納されたデータは書き込み単位(物理ページ)には達していないので、ホスト100からの書き込みデータ以外の部分のデータをコピーする必要がある。そのために、図4(C)に示すように、時間t402でコントローラ210は、フラッシュメモリ220に対してPartial Readコマンドを発行する。
Partial Readコマンドとは、メモリセルアレイ221からセンスアンプ223を使用して読み出したデータの全てをページバッファ224に転送するのではなく、データのうち任意に選択されたセクターのみのデータを転送するコマンドである。本実施の形態では、センスアンプ223からページバッファ224へデータを部分領域毎に転送するセレクトゲート227を設けているため、任意の選択されたセクターのみのデータの転送ができる。このためコントローラ210は、書き換えのためホスト100から転送されたデータ(S0〜S2)に対応する物理ページのアドレスを指定すると共に、このアドレスから読み出された物理ページ分のデータのうち1セクター分のデータS3のみをセンスアンプ223からページバッファ224に転送するコマンドを発行する。
そうすることで、フラッシュメモリ220では、時間t402から時間t403の区間P2に示すビジー期間を経て、時間t403で1セクター分のデータS3をページバッファ224に転送する。その結果、ページバッファ224に、ホスト100からの書き込みデータS0〜S2と、メモリセルアレイ221からの読み出しデータS3が混在した状態で格納される。
ここで、比較のため従来のデータ書き換え方法について説明する。従来のフラッシュメモリは、1セクター分のデータS3のみを読み出してページバッファ224に転送する機能がなく、ページ単位のデータしか転送できなかった。このため、データS3を含むページ単位のデータをメモリセルアレイ220から読み出してページバッファ224に転送する。その場合、既にページバッファ224に保持されているホスト100からの書き込みデータS0〜S2にメモリセルアレイ221から読み出されたデータが上書きされる。その結果、ホスト100からの書き込みデータS0〜S2は消去され、これらのデータをフラッシュメモリ102に書き込むためには、再度データS0〜S2をコントローラ210からフラッシュメモリ220に転送する必要があった。
なお、従来の別の方法として、最初にフラッシュメモリ220へのデータの転送(時間t401〜時間t402)を行わずに、データを読み出した後に、データをコントローラ210からフラッシュメモリ220に転送すれば、改めてデータを転送することを回避できる。しかし、そのためには物理ページ分のデータがコントローラ210のバッファメモリA214に揃うのを待ってからしか、フラッシュメモリ220へのデータの転送を開始することができない。結果として、物理ページ分のデータの待ち時間によって書き込み性能の低下が発生するため、処理を高速化するための解決策とはならない。
本実施の形態の説明に戻り、図4(B)に示すように、時間t403から時間t404の区間P3において、コントローラ210はフラッシュメモリ220のページバッファ224から4番目のセクターのデータS3をバッファメモリA214へ読み出す。これは、フラッシュメモリ221から読み出されたデータにビット誤りが存在するかどうかを検査して、誤りを訂正するために行われる。ここでは、誤りが発生していない場合について説明する。
次に、図4(C)に示すように、時間t404でコントローラ210はフラッシュメモリ220に対してWriteコマンドを発行する。フラッシュメモリ220の制御回路225はこのコマンドを受け、ページバッファ224に格納されているデータS0〜S3をメモリセルアレイ221に書き込む。時間t404から時間t405の区間P4のビジー期間を経て、時間t405で書き込みが終了する。
以上のように、本発明に係る不揮発性メモリを使用すれば、ホストからの書込みデータとフラッシュメモリからの読み出しデータが混在したデータを書き込む際に、ホストからのデータを再転送する必要がないため、処理の高速化が図れる。
なお、本発明の本質は、ホストから転送済みのデータを保護するために、メモリセルアレイからページバッファへのデータの転送を選択的に行える機能を付加することにある。またその結果として、データの再送を行うことなく、転送済みのデータとメモリセルアレイから読み出したデータが混在するデータを単一の物理ページへ書き込む方法を提供することにある。
従って、上述した実施の形態では、センスアンプからページバッファへのデータの転送を選択的に行う構成について説明したが、これを特許文献1に記載されたような複数のページバッファを有する構成に適用し、一方のページバッファから他方のページバッファへ選択的にデータを転送する機能を付加しても、本発明の効果を得ることができる。
また、複数のページバッファを備えた構成において、個々のページバッファに格納されたデータからそれぞれ一部分を選択してメモリセルアレイにデータを書き込む機能を付加することによって、複数のページバッファに格納されたデータの各部分を併せてページ単位のデータを構成することが可能となり、上述した場合と同様に本発明の効果を得ることができる。
本発明に係る不揮発性メモリおよびその書き換え方法は、データの高速書き込みが実現できるため、高速化が要求される半導体装置に用いた場合に有用である。
本発明に係る不揮発性メモリを使用したメモリーカードとホストの構成を示す図 図1のメモリーカード内のコントローラの構成を示す図 図1のメモリーカード内のフラッシュメモリの構成を示す図 本発明に係る不揮発性メモリについてデータの書き換え動作を説明するタイミングチャート
符号の説明
100 ホスト
200 メモリーカード
210 コントローラ
220 フラッシュメモリ
211 MPU
212 論物変換テーブル
213 消去ブロックテーブル
214 バッファメモリA
215 バッファメモリB
216、217 セレクタ
221 メモリセルアレイ
222 ワードラインドライバー
223 センスアンプ
224 ページバッファ
225 制御回路

Claims (6)

  1. 電気的に書換え可能な複数の不揮発性のメモリセルが配列され、ページ単位でのデータの読み出しおよび書き込みが可能、かつデータの読み出しおよび書き込みの最小単位が前記ページ単位であるメモリセルアレイと、
    前記メモリセルアレイの各ビット線に接続され、前記メモリセルアレイに書き込まれるページ単位のデータが一時的に保持されるページバッファと、
    前記メモリセルアレイの各ビット線に接続され、前記メモリセルアレイから読み出されたページ単位のデータの信号を増幅するセンスアンプとを具備し、
    前記センスアンプから前記ページバッファへのデータの転送は、全体でページ単位を構成する複数の部分領域単位で選択的に行うことが可能なことを特徴とする不揮発性メモリ。
  2. 前記センスアンプに格納されたデータを前記部分領域単位で前記ページバッファに転送するセレクトゲートを更に具備したことを特徴とする請求項1に記載の不揮発性メモリ。
  3. 前記複数の部分領域のサイズが全て同じであることを特徴とする請求項1または2に記載の不揮発性メモリ。
  4. 前記部分領域のサイズが、512バイトをセクターの単位として、1セクター以上かつ2セクター未満であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の不揮発性メモリ。
  5. 電気的に書換え可能な複数の不揮発性のメモリセルが配列され、ページ単位でのデータの読み出しおよび書き込みが可能、かつデータの読み出しおよび書き込みの最小単位が前記ページ単位であるメモリセルアレイと、
    前記メモリセルアレイの各ビット線に接続され、前記メモリセルアレイに書き込まれるページ単位のデータが一時的に保持されるページバッファと、
    前記メモリセルアレイの各ビット線に接続され、前記メモリセルアレイから読み出されたページ単位のデータの信号を増幅するセンスアンプとを具備した不揮発性メモリの書き換え方法であって、
    ページ単位よりもサイズが小さい書き換え用のデータを前記不揮発性メモリの外部から転送して前記ページバッファの一部分に格納する第1のステップと、
    前記メモリセルアレイの所定のアドレスに記録されたページ単位のデータを前記メモリセルアレイから前記センスアンプに読み出す第2のステップと、
    前記センスアンプに読み出されたページ単位のデータのうち、書き換えを行わない部分のデータを前記ページバッファの他の部分に格納する第3のステップと、
    前記ページバッファに格納されたページ単位のデータを、前記メモリセルアレイに書き込む第4のステップとを含むことを特徴とする不揮発性メモリの書き換え方法。
  6. 前記第3のステップと前記第4のステップの間に、前記第3のステップで前記ページバッファに格納された、前記書き換えを行わない部分のデータを、前記不揮発性メモリの外部に読み出す第5のステップを更に含むことを特徴とする請求項5に記載の不揮発性メモリの書き換え方法。
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