JP2010282492A - メモリシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】メモリセルに複数ビットの情報を書き込む際の書き込み速度を高速化する。
【解決手段】メモリシステム10は、不揮発性メモリ21−0,21−1と、不揮発性メモリをアクセスするメモリインタフェース15−0,15−1とをそれぞれが含む第1及び第2のチャネルを含む。不揮発性メモリは、それぞれが複数のメモリセルからなる複数のページを含み、各メモリセルは、Nビット(Nは2以上の自然数)を記憶可能である。さらに、メモリシステム10は、メモリセルにNビットを書き込む場合に書き込み時間が異なるNページの書き込み動作を行い、かつNページの書き込み動作毎にチャネルを切り替える制御部12を含む。
【選択図】図1
【解決手段】メモリシステム10は、不揮発性メモリ21−0,21−1と、不揮発性メモリをアクセスするメモリインタフェース15−0,15−1とをそれぞれが含む第1及び第2のチャネルを含む。不揮発性メモリは、それぞれが複数のメモリセルからなる複数のページを含み、各メモリセルは、Nビット(Nは2以上の自然数)を記憶可能である。さらに、メモリシステム10は、メモリセルにNビットを書き込む場合に書き込み時間が異なるNページの書き込み動作を行い、かつNページの書き込み動作毎にチャネルを切り替える制御部12を含む。
【選択図】図1
Description
本発明は、メモリシステムに係り、例えば電気的に書き換えが可能なフラッシュメモリを備えたメモリシステムに関する。
不揮発性半導体メモリとしては、データの書き込み及び消去を電気的に行うEEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)の一種であるNAND型フラッシュメモリが知られている。
NAND型フラッシュメモリに用いられるメモリセルは、半導体基板上にトンネル絶縁膜を介して電荷蓄積を目的とする浮遊ゲート電極、ゲート間絶縁膜、制御ゲート電極が順に積層形成された積層ゲート構造を有している。そして、浮遊ゲート電極に電子を注入し、或いは浮遊ゲート電極から電子を放出することで、メモリセルに情報を書き込む。さらに、大容量化と低コスト化を実現するために、1つのメモリセルに2ビット以上のデータを格納する多値技術を用いたNAND型フラッシュメモリ(多値フラッシュメモリ)の開発が行われている。
多値フラッシュメモリを実現するには、メモリセルの閾値電圧分布を細分化する必要がある。このため、データ書き込みにおいては、メモリセルに印加する電圧の制御が複雑になるため、書き込み時間が長くなってしまう。このため、データ書き込み時に待ち時間が長くなるため、書き込み速度が低下してしまう。
なお、第1のフラッシュメモリに1ページ分のデータを記録して書き込み待ち状態になったとき、直ちに別の第2のフラッシュメモリに次の1ページ分のデータを記録することで、書き込み時間を短縮する技術が開示されている(特許文献1参照)。
本発明は、メモリセルに複数ビットの情報を書き込む際の書き込み速度を高速化することが可能なメモリシステムを提供する。
本発明の一態様に係るメモリシステムは、不揮発性メモリと、前記不揮発性メモリをアクセスするメモリインタフェースとをそれぞれが含み、前記不揮発性メモリはそれぞれが複数のメモリセルからなる複数のページを含み、各メモリセルはNビット(Nは2以上の自然数)を記憶可能である、第1及び第2のチャネルと、メモリセルにNビットを書き込む場合に書き込み時間が異なるNページの書き込み動作を行い、かつNページの書き込み動作毎にチャネルを切り替える制御部とを具備する。
本発明の一態様に係るメモリシステムは、第1及び第2のチップを有する不揮発性メモリと、前記不揮発性メモリをアクセスするメモリインタフェースとをそれぞれが含み、前記第1及び第2のチップの各々はそれぞれが複数のメモリセルからなる複数のページを含み、各メモリセルはNビット(Nは2以上の自然数)を記憶可能である、第1及び第2のチャネルと、メモリセルにNビットを書き込む場合に書き込み時間が異なるNページの書き込み動作を行い、かつNページの書き込み動作毎にチャネル及びチップを切り替える制御部とを具備する。
本発明によれば、メモリセルに複数ビットの情報を書き込む際の書き込み速度を高速化することが可能なメモリシステムを提供することができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
図1は、本発明の一実施形態に係るメモリシステム10の構成を示すブロック図である。メモリシステム10は、複数個のNAND型フラッシュメモリ21、及びこれらを制御するメモリコントローラ11を備えている。なお、本実施形態では、メモリシステム10が2個のNAND型フラッシュメモリ21−0、21−1を備える場合を一例として説明するが、NAND型フラッシュメモリの数は2個以上であってもよい。
メモリコントローラ11は、制御部(CPU:Central Processing Unit)12、ROM(Read Only Memory)13、RAM(Random Access Memory)14、複数個のNANDインタフェース15、ホストインタフェース16、及びGPIO(General Purpose Input/Output)を備えており、これらモジュールはシステムバス18を介して接続されている。
ホストインタフェース16は、例えばUSB(Universal Serial Bus)インタフェースからなり、データ転送規格であるUSB規格に基づいてホストとの間でデータの送受信を制御する。
CPU12は、メモリシステム10全体の動作を統括的に制御する。CPU12は、例えばメモリシステム10が電源供給を受けたときに、ROM13やNAND型フラッシュメモリ21に格納されたファームウェア(FW)を用いて、メモリシステム10の各種動作を制御する。また、CPU12は、ホストから書き込みコマンド、読み出しコマンド、及び消去コマンドを受け、NAND型フラッシュメモリ21に対して書き込み、読み出し、及び消去動作を制御する。
ROM13は、メモリシステム10の各種動作を制御するために必要なファームウェア(ソフトウェア)を格納する。RAM14は、CPU12の作業エリアとして使用され、データや各種テーブルを一時的に記憶する。GPIO17は、入出力ポートであり、これに接続されるモジュールの入出力制御を行う。
NANDインタフェース15は、NAND型フラッシュメモリ21と同じ数だけ配置されており、従って本実施形態では、2個のNAND型フラッシュメモリ21−0、21−1に対応する2個のNANDインタフェース15−0、15−1が配置される。NANDインタフェース15−0は、NAND型フラッシュメモリ21−0との間のインタフェース処理を実行する。同様に、NANDインタフェース15−1は、NAND型フラッシュメモリ21−1との間のインタフェース処理を実行する。
図2は、2つのチャネルの構成を示すブロック図である。メモリシステム10は、データ転送を行うための2つのチャネル(チャネル0及びチャネル1)を備えている。「チャネル」とは、データを転送する経路であり、CPUと記憶装置とをつないでデータの授受を行う機能を有する回路部分をいう。本実施形態では、第1のチャネル0は、NAND型フラッシュメモリ21−0、及びこれを制御するNANDインタフェース15−0からなり、また、第2のチャネル1は、NAND型フラッシュメモリ21−1、及びこれを制御するNANDインタフェース15−1からなる。CPU12は、2つのチャネル(チャネル0及びチャネル1)に対して独立に、データの書き込み、読み出し、及び消去を行うことが可能である。
次に、NAND型フラッシュメモリ21の構成について説明する。各NAND型フラッシュメモリ21は、2個のチップ(チップ0及びチップ1)を備えている。なお、1個のNAND型フラッシュメモリ21に含まれるチップの数に特に制限はなく、1個であってもよいし、2個以上であってもよい。
各チップは、データ消去の単位である複数のブロックを備えている。各ブロックは、マトリクス状に配列された複数のメモリセルを備えており、また、データ書き込み及び読み出しの単位である複数のページから構成されている。
なお、各NAND型フラッシュメモリ21は、前述したメモリセルアレイの他に、メモリセルアレイに対して、データの書き込み、読み出し、及び消去処理を実行する周辺回路を備えている。具体的には、NAND型フラッシュメモリ21は、メモリセルアレイの列を選択するカラムデコーダ、メモリセルアレイの行を選択するロウデコーダ、メモリセルからデータを読み出すためのセンスアンプ回路、読み出し及び書き込みデータを保持するデータキャッシュなどを含む。
図3は、1個のブロックの構成を示す回路図である。各ブロックは、ビット線BL0〜BLnの本数に対応する(n+1)個のNANDストリングを備えている。「n」は、0以上の自然数である。複数個のNANDストリングにそれぞれ含まれる選択トランジスタST1は、そのドレインがビット線BLに接続され、そのゲートが選択ゲート線SGDに共通接続されている。また、複数個のNANDストリングにそれぞれ含まれる選択トランジスタST2は、そのソースがソース線SLに共通接続され、そのゲートが選択ゲート線SGSに共通接続されている。
各NANDストリングにおいて、ワード線WL0〜WLmの本数に対応する(m+1)個のメモリセルMCは、選択トランジスタST1のソースと選択トランジスタST2のドレインとの間に、それぞれの電流経路が直列接続されるように配置されている。すなわち、(m+1)個のメモリセルMCは、隣接するもの同士で拡散領域(ソース領域若しくはドレイン領域)を共有するような形でカラム方向に直列接続される。
そして、最もドレイン側に位置するメモリセルMCから順に、制御ゲート電極がワード線WL0〜WLmにそれぞれ接続されている。従って、ワード線WL0に接続されたメモリセルMCのドレインは選択トランジスタST1のソースに接続され、ワード線WLmに接続されたメモリセルMCのソースは選択トランジスタST2のドレインに接続されている。
ワード線WL0〜WLmは、ブロック内のNANDストリング間で、メモリセルMCの制御ゲート電極を共通に接続している。つまり、ブロック内において同一行にあるメモリセルMCの制御ゲート電極は、同一のワード線WLに接続される。この同一のワード線WLに接続される(n+1)個のメモリセルMCはページとして取り扱われる。
また、ビット線BLは、ブロック間で、選択トランジスタST1のドレインを共通接続している。つまり、複数個のブロック内において同一列にあるNANDストリングは、同一のビット線BLに接続される。
各メモリセルは、P型ウェル上に形成された積層ゲート構造を備えたMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)から構成される。積層ゲート構造は、P型ウェル上に、トンネル絶縁膜、電荷蓄積層(浮遊ゲート電極)、ゲート間絶縁膜、制御ゲート電極が順に積層されて構成される。メモリセルは、浮遊ゲート電極に蓄積される電子の数に応じて閾値電圧が変化し、この閾値電圧の違いに応じてデータを記録する。メモリセルは、閾値電圧の分布を細分化して2ビット以上の多値データを記憶する。従って、図3において、共通のワード線WLに接続された1行は、2ページ(下位ページ及び上位ページ)に対応する。なお、本実施形態では、メモリセルが2ビットを記憶する場合を一例として説明するが、これに限定されるものではなく、3ビット以上を記憶するようにメモリセルやその周辺回路を構成してもよい。
図4は、メモリセルの閾値分布とデータとの関係を説明する図である。図4の横軸はメモリセルの閾値電圧Vth、縦軸はメモリセルの数(セル数)を示している。メモリセルに2ビットのデータを書き込む場合は、下位ビットデータを書き込むための下位ページ書き込みと、上位ビットを書き込むための上位ページ書き込みとが行われる。
メモリセルのデータを消去すると、メモリセルが“A”レベル(消去状態)の閾値電圧に設定される。例えば、消去状態の“A”レベルは、負側に設定される。
第1ステージにおいて下位ページ書き込みを行うことにより、閾値電圧が“A”レベル(消去状態)の“1”データと、閾値電圧が“A”レベルより高い“M”レベルの“0”データとのいずれかをメモリセルは記憶することができる。“1”データの場合には、メモリセルの閾値電圧をシフトさせない。“0”データの場合には、メモリセルの閾値電圧を正側にシフトさせる。“0”データの書き込みは、ベリファイ電圧Vmを用いて行われる。
続いて、第2ステージにおいて上位ページ書き込みを行うことにより、“11”データ、“01”データ、“00”データ、及び“10”データの4個のデータのいずれかをメモリセルは記憶することができる。“11”データは閾値電圧が“A”レベル(消去状態)、“01”データは閾値電圧が“B”レベル、“00”データは閾値電圧が“C”レベル、“10”データは閾値電圧が“D”レベルに設定される。なお、閾値電圧A〜Dの関係は、A<B<C<D<Vreadである。“11”データの場合には、メモリセルの閾値電圧をシフトさせない。“01”データの書き込みは、ベリファイ電圧Vbを用いて行われる。“00”データの書き込みは、Vbより高いベリファイ電圧Vcを用いて行われる。“10”データの書き込みは、Vcより高いベリファイ電圧Vdを用いて行われる。なお、閾値電圧とデータとの割り付けは、任意に設定可能である。
ここで、多値メモリでは、書き込みデータに応じてメモリセルの閾値電圧を正確に制御する必要がある。メモリセルへの書き込みでは、レベルを超えてしまうオーバープログラムの懸念があるため、書き込み電圧を少しずつ上げながら行う書き込み動作と、閾値電圧を確認するベリファイ動作とを何度も繰り返すステップアップ書き込み方式が用いられる。
具体的には、下位ページの書き込みでは、最初に、外部から下位ページのデータが入力される。そして、データに応じた閾値電圧となるようにメモリセルに書き込み電圧が印加される。その後、メモリセルが正しい閾値電圧になっているかを確認するベリファイが行われる。正しい閾値電圧になっていないメモリセルがページ内に存在する限りにおいては、徐々に電圧を上げながら書き込み電圧を印加する動作と、メモリセルが正しい閾値電圧になっているかを確認するベリファイとが繰り返し行われる。
これに対して、上位ページの書き込みでは、上位ページのデータを書き込む前に、メモリセルに記憶された下位ページのデータを調べるための内部データロードが行われる。その後、下位ページの書き込みと同様に、徐々に電圧を上げながら書き込み電圧を印加する動作と、メモリセルが正しい閾値電圧になっているかを確認するベリファイとが繰り返し行われる。
以上の説明のように、上位ページの書き込みは、下位ページの書き込みよりも複雑であるため、書き込み時間が長くなる。例えば、上位ページの書き込み時間は、下位ページの書き込み時間の3倍程度、又はそれ以上となる。
このように、書き込み時間が異なる2種類の書き込み動作、すなわち、高速の書き込み動作(下位ページ書き込み動作)と、低速の書き込み動作(上位ページ書き込み動作)とが混在するメモリシステム10では、書き込み中のビジー時間が増えるため、レイテンシが長くなる。そこで、本実施形態では、複数のチャネルを用いたインターリーブ方式を採用することで、ビジー時間を仮想的に減少するようにしている。
(動作)
以下に、このように構成されたメモリシステム10の書き込み動作について説明する。図5は、メモリシステム10の書き込み動作を示すフローチャートである。図5において、左側のボックス列は、チャネル0のNAND型フラッシュメモリ21−0の様子を示しており、右側のボックス列は、チャネル1のNAND型フラッシュメモリ21−1の様子を示している。例えば、チャネル0のチップ0の4つの四角は、上から順に、第1の下位ページ、第1の上位ページ、第2の下位ページ、第2の上位ページに該当する。図5の下に向かってステップが進んでいき、全部で5つのステップが示されている。また、チップ内の矢印は、当該ステップにおいて書き込み動作が行われているページを表している。チップ内の斜線は、書き込み済みのページを表している。
以下に、このように構成されたメモリシステム10の書き込み動作について説明する。図5は、メモリシステム10の書き込み動作を示すフローチャートである。図5において、左側のボックス列は、チャネル0のNAND型フラッシュメモリ21−0の様子を示しており、右側のボックス列は、チャネル1のNAND型フラッシュメモリ21−1の様子を示している。例えば、チャネル0のチップ0の4つの四角は、上から順に、第1の下位ページ、第1の上位ページ、第2の下位ページ、第2の上位ページに該当する。図5の下に向かってステップが進んでいき、全部で5つのステップが示されている。また、チップ内の矢印は、当該ステップにおいて書き込み動作が行われているページを表している。チップ内の斜線は、書き込み済みのページを表している。
最初に、CPU12は、チャネル0,チップ0に対して下位ページ及び上位ページの書き込み動作を実行する(ステップS100)。続いて、CPU12は、チャネル及びチップを切り替え、チャネル1,チップ0に対して下位ページ及び上位ページの書き込み動作を実行する(ステップS101)。続いて、CPU12は、チャネル及びチップを切り替え、チャネル0,チップ1に対して下位ページ及び上位ページの書き込み動作を実行する(ステップS102)。続いて、CPU12は、チャネル及びチップを切り替え、チャネル1,チップ1に対して下位ページ及び上位ページの書き込み動作を実行する(ステップS103)。続いて、CPU12は、最初に戻って、チャネル0,チップ0に対して下位ページ及び上位ページの書き込み動作を実行する(ステップS104)。
このように、CPU12は、下位ページ及び上位ページの書き込みをセットとして、チャネル0,チップ0→チャネル1,チップ0→チャネル0,チップ1→チャネル1,チップ1→チャネル0,チップ0の順に書き込み動作を実行する。すなわち、CPU12は、2ページ分のデータがホストから入力される毎に、チャネル及びチップを順次に切り替えるようにしている。チャネル及びチップの切り替えが一通り終了したら、その後に入力される2ページ分のデータに対しても、上記同様の順に書き込み動作を実行する。
図6は、メモリシステム10の書き込み動作を示すタイミングチャートである。なお、データはホストからメモリシステム10に順次入力されている。最初に、CPU12は、チャネル0,チップ0に対して、データの入力(Data In)と下位ページの書き込み動作とを実行する。具体的には、CPU12がチャネル0,チップ0を選択し、チャネル0のチップ0に1ぺージ分のデータを入力する。これを受けて、NAND型フラッシュメモリ21−0は、このデータをチップ0の下位ページに書き込む。データ書き込み中は、NAND型フラッシュメモリ21−0は、ビジー信号を活性化する。図6に示すように、この下位ページの書き込み動作によるビジー時間“busy時間(Lower)”は、短くなっている。下位ページの書き込みが終了すると、NAND型フラッシュメモリ21−0は、ビジーを解除する。
続いて、ビジーが解除されるのを待った後、CPU12は、チャネル0,チップ0に対して、データの入力と上位ページの書き込み動作とを実行する。具体的には、CPU12がチャネル0,チップ0を選択し、チャネル0のチップ0に1ページ分のデータを入力する。これを受けて、NAND型フラッシュメモリ21−0は、このデータをチップ0の上位ページに書き込む。図6に示すように、この上位ページの書き込み動作によるビジー時間“busy時間(Upper)”は、ビジー時間“busy時間(Lower)”に比べて長くなっている。
チャネル0,チップ0のビジー期間中(上位ページ書き込み中)に、CPU12は、チャネル1,チップ0に対して、データの入力と下位ページの書き込み動作とを実行する。続いて、ビジーが解除されるのを待った後、CPU12は、チャネル1,チップ0に対して、データの入力と上位ページの書き込み動作とを実行する。
チャネル1,チップ0のビジー期間中(上位ページ書き込み中)に、CPU12は、チャネル0,チップ1に対して、データの入力と下位ページの書き込み動作とを実行する。続いて、ビジーが解除されるのを待った後、CPU12は、チャネル0,チップ1に対して、データの入力と上位ページの書き込み動作とを実行する。
チャネル0,チップ1のビジー期間中(上位ページ書き込み中)に、CPU12は、チャネル1,チップ1に対して、データの入力と下位ページの書き込み動作とを実行する。続いて、ビジーが解除されるのを待った後、CPU12は、チャネル1,チップ1に対して、データの入力と上位ページの書き込み動作とを実行する。
この後、NAND型フラッシュメモリ21−0によって、チャネル0,チップ0のビジーが解除されるため、続けて、CPU12は、チャネル0,チップ0に対して下位ページ及び上位ページの書き込み動作を実行する。以下、これらのインターリーブ動作を繰り返す。
以上詳述したように本実施形態では、メモリシステム10が2個のチャネル(チャネル0及びチャネル1)を備え、これら2個のチャネルに対してインターリーブ方式を用いて書き込み動作を実行する。この際に、下位ページ及び上位ページの書き込み動作を単位として、2個のチャネルを順に切り替えるようにしている。
さらに、各チャネルに含まれるNAND型フラッシュメモリ21が2個のチップを備え、これら2個のチップに対してインターリーブ方式を用いて書き込み動作を実行する。この際に、下位ページ及び上位ページの書き込み動作を単位として、2個のチャネル及び2個のチップを順に切り替えるようにしている。
従って本実施形態によれば、書き込み時間が長い上位ページの書き込み動作中に、別のチャネルに書き込みアクセスを開始することにより、ビジー時間を仮想的に減少させることができる。この結果、NAND型フラッシュメモリ全体でのレイテンシを短縮することができ、ひいては、書き込み速度を向上させることができる。
なお、本実施形態では、2個のチャネル及び2個のチップを備えたメモリシステム10の構成例を示しているが、チャネルの数は2個以上であってもよく、またチップの数は1個又は2個以上であってもよい。チャネル及びチップの数は、上位ページ書き込み時間に応じて最適に設定することで、NAND型フラッシュメモリ全体でのレイテンシをより短縮することが可能となる。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化できる。また、実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
BL…ビット線、WL…ワード線、SL…ソース線、SGD,SGS…選択ゲート線、MC…メモリセル、ST…選択トランジスタ、10…メモリシステム、11…メモリコントローラ、12…CPU、13…ROM、14…RAM、15…NANDインタフェース、16…ホストインタフェース、17…GPIO、18…システムバス、21…NAND型フラッシュメモリ。
Claims (5)
- 不揮発性メモリと、前記不揮発性メモリをアクセスするメモリインタフェースとをそれぞれが含み、前記不揮発性メモリはそれぞれが複数のメモリセルからなる複数のページを含み、各メモリセルはNビット(Nは2以上の自然数)を記憶可能である、第1及び第2のチャネルと、
メモリセルにNビットを書き込む場合に書き込み時間が異なるNページの書き込み動作を行い、かつNページの書き込み動作毎にチャネルを切り替える制御部と、
を具備することを特徴とするメモリシステム。 - 第1及び第2のチップを有する不揮発性メモリと、前記不揮発性メモリをアクセスするメモリインタフェースとをそれぞれが含み、前記第1及び第2のチップの各々はそれぞれが複数のメモリセルからなる複数のページを含み、各メモリセルはNビット(Nは2以上の自然数)を記憶可能である、第1及び第2のチャネルと、
メモリセルにNビットを書き込む場合に書き込み時間が異なるNページの書き込み動作を行い、かつNページの書き込み動作毎にチャネル及びチップを切り替える制御部と、
を具備することを特徴とするメモリシステム。 - 前記Nページは、第1及び第2のページからなり、
前記Nビットは、2ビットであることを特徴とする請求項1又は2に記載のメモリシステム。 - 前記第2のページの書き込み時間は、前記第1のページのそれより長いことを特徴とする請求項3に記載のメモリシステム。
- 前記不揮発性メモリは、NAND型フラッシュメモリであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のメモリシステム。
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US8301850B2 (en) | 2009-09-08 | 2012-10-30 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Memory system which writes data to multi-level flash memory by zigzag interleave operation |
JP2013235630A (ja) * | 2012-05-08 | 2013-11-21 | Sony Corp | 制御装置、記憶装置、データ書込方法 |
JP2014102610A (ja) * | 2012-11-19 | 2014-06-05 | Nippon Hoso Kyokai <Nhk> | 記録装置及び記録方法 |
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2009
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