[发明专利]使用索引编程和减少的验证的非易失性存储器和方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及诸如电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)和快闪EEPROM之类的非易失性半导体存储器，并且具体地，涉及其中编程-验证操作的数量被最小化的存储器和编程操作。

背景技术

能够非易失性存储电荷的固态存储器、特别是被封装为小型规格卡的EEPROM和快闪EEPROM形式的固态存储器最近成为各种移动和手持设备、特别是信息装置和消费电子产品中存储选择。不同于也是固态存储器的RAM(随机存取存储器)，闪存是非易失性存储器，并且即使在切断电源之后仍保持它所存储的数据。尽管成本更高，但是闪存正被更多地用于海量存储应用中。基于诸如硬盘驱动或软盘之类的旋转磁介质的传统海量存储不适合于移动和手持环境。这是因为盘驱动倾向于体积大，易出现机械故障，并且具有高等待时间和高功率要求。这些不希望的属性使得基于盘的存储在大部分移动和便携式应用中不实用。另一方面，嵌入式和可移动卡形式这两种的闪存由于其小尺寸、低功耗、高速和高可靠性特征而理想地适合于移动和手持环境。

EEPROM和电可编程只读存储器(EPROM)是可以被擦除、并使新数据写入或“被编程”到其存储器单元中的非易失性存储器。在场效应晶体管结构中，两者利用在源极和漏极区域之间的、位于半导体衬底中的沟道区之上的浮置(未连接)导电栅极。然后在浮置栅极之上提供控制栅极。由被保留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，对于浮置栅极上给定水平的电荷，存在必须在“导通”晶体管之前施加到控制栅极以允许在其源极和漏极区之间导电的相应电压(阈值)。

浮置栅极可以保持一个范围的电荷，因此可以被编程到在阈值电压窗内的任何阈值电压电平。由器件的最小和最大阈值电平来界定(delimit)阈值电压窗的大小，该最小和最大阈值电平又对应于可以被编程到浮置栅极上的电荷的范围。阈值窗通常取决于存储器器件的特性、工作条件和历史。在该窗内的每个不同的可分辨的阈值电压电平范围原则上可以用于指定单元的明确的存储器状态。当将阈值电压划分为两个不同区域时，每个存储器单元将能够存储一位数据。类似地，当将阈值电压窗划分为多于两个不同区域时，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，建立至少一个电流分界点水平以将导电窗划分为两个区域。当通过施加预定的固定电压来读取单元时，其源极/漏极电流通过与分界点水平(或参考电流IREF)相比较而被解析为存储器状态。如果读取的电流高于分界点水平的电流，则确定该单元处于一个逻辑状态(例如“0”状态)。另一方面，如果该电流小于分界点水平的电流，则确定该单元处于另一逻辑状态(例如“1”状态)。从而，这样的两状态单元存储一位数字信息。通常将可以从外部编程的参考电流源提供为存储器系统的一部分，以生成分界点水平电流。

为了增大存储器容量，随着半导体技术的状态进步，正用越来越高的密度来制造快闪EEPROM器件。增大存储容量的另一方法是使每个存储器单元存储多于两个状态。

对于多状态或多级EEPROM存储器单元，导电窗被通过多于一个分界点划分为多于两个区域，使得每个单元能够存储多于一位的数据。给定的EEPROM阵列可以存储的信息因此随着每个单元可以存储的状态的数量而增加。在美国专利No.5172338中描述了具有多状态或多级存储器单元的EEPROM或快闪EEPROM。

通常通过两种机制之一来将充当存储器单元的晶体管编程到“已编程”状态。在“热电子注入”中，施加到漏极的高电压加速了穿过衬底沟道区的电子。同时，施加到控制栅极的高电压拉动热电子经过薄栅极电介质到浮置栅极上。在“隧穿注入”中，相对于衬底，高电压被施加到控制栅极。以此方式，将电子从衬底拉到中间的(intervening)浮置栅极。

可以通过多种机制来擦除存储器器件。对于EPROM，可通过紫外线辐射从浮置栅极移除电荷而大量擦除该存储器。对于EEPROM，可通过相对于控制栅极向衬底施加高电压以便诱导浮置栅极中的电子遂穿过薄氧化物到衬底沟道区(即，Fowler-Nordheim隧穿)而电擦除存储器单元。通常，EEPROM可逐字节擦除。对于快闪EEPROM，在块可由存储器的512字节或更多组成的情况下，该存储器可一次性电擦除或一次一个或多个块地电擦除。

存储器器件通常包括可以被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由诸如解码器和擦除、写和读电路的外围电路支持的存储器单元的阵列。更复杂的存储器器件利用进行智能和更高级的存储器操作和接口的外部存储器控制器而工作。