前面讲了在一个Page中MLC的写入操作,下面我们看多个Page写入的顺序和方法。
MLC的单个Cell内可以存2个bits,因此,同一page由三个条件确定:1、物理上同一WL(CG)。2、为了屏蔽BL之间的噪声干扰,分为奇偶BLe和BLo。3、从数位上,分为高低位Most Significant Bit MSB和Least Significant Bit LSB。
相邻的Page之间,会通过FG耦合相互影响,导致原本写入完成后很窄的Vt分布,在下一页写入操作时变宽。特别是Cell微缩后,FG间寄生电容变大,耦合增强,影响越发严重,成为影响MLC的最主要因素。
最初的Page写入方法
最基本的方法是顺序写入各个Page,从低WL到高WL,先BLe再BLo,先LSB到MSB。下图的数字标识了Page/Cell的写入次序。Cell的状态,LSB写入从最低的擦除态“11”转移到“10”,之后MSB写入再依次转移到“00”和“01”。
按照最简单的写入顺序,我们可能会遇到最差的FG耦合干扰问题。相邻的WL或BL都有直接的寄生电容耦合,所以后续相邻Cell写入,会升高本Cell Vt。
最差情况,LSB阶段,受害Cell A状态从“0”到“1”,相邻Cell保持擦除状态。在MSB阶段,受害Cell A写入"10",即保持Vt不变,但相邻Cell都写入“01”到最高Vt。如下图,受害Cell的Vt会发生很大的偏移。
文末的表中有FG电容耦合的近似公式。可以看到,在原始写入方法中,或者减小寄生电容,或者减少周围Cell中写入Vt的移动量,都可以缓解FG耦合造成的影响。
第一种新Page写入顺序方案
为了减轻Cell之间耦合的影响,发展出了新的Page写入顺序,不一次性把Cell的Vt写入到位,而是将相邻的Cell交替写入。这样每次写入的Vt变化量减小,耦合影响降低一半。
对于BL-BL之间的耦合,我们在LSB阶段,先把Cell Vt移动到一个临时状态‘x0’。待邻近的Cell也完成LSB写入,造成受害Cell的Vt展宽。接着,再MSB阶段,‘x0’态继续写入到最终的“00”或“01”态。“01”态也会延迟到MSB阶段写入,避免LSB的干扰。相对最初的写入方案,受害Cell只受相邻Cell的MSB写入影响,干扰减轻约一半。对于WL-WL耦合,我们也是把MSB阶段延后到邻近WL的LSB阶段之后进行。可以看下图种数字标志的写入次序。
下图直观表现了,两个邻近Cell a和b,在该写入方案过程中Vt分布的变化。Cell耦合的近似表达放在文末的表里。顺带提下,此方案为每页Page增加了一个标识flag cell,在MSB阶段也会写入,用来在读取时区分LSB/MSB。
第二种新Page写入顺序
对BL-BL的耦合,还有改进空间。如果我们将邻近的BL在同一个写入周期内操作,那么就不存在后写入的BL对已经写好的BL的干扰,将其完全消除。为了做到这一点,需要增加一组BL选通晶体管,将同一WL上的奇偶BL都分到一组(也分为奇偶组),在写入操作时一起打开。将奇偶BL缓存内的数据同时写入这一组物理上邻近的BL,从而消除BL-BL的耦合干扰。
在一组BL的边界处,需要有一组Dummy BL来消除隔壁组的影响。但因为CSL/Well接触孔本来就需要一组dummy BL,可以直接利用,所以并没有增加面积。文末表中,也有这一方案的近似耦合表达式。
全线位架构All-Bit-Line (ABL) Architecture
前面提到,传统的NAND采用奇偶屏蔽的BL设计。在读取操作时,奇偶BL相互屏蔽,每次只能读取其中之一,因此,通常一对奇偶BL共享一套数据闩锁。此架构限制了写入和验证必须分奇偶BL进行,增加了同一WL上写入操作的时长。而随着Cell微缩,写入干扰越来越严重,影响NAND可靠性。
在2008年提出的ABL架构下,奇偶BL都有自己的灵敏放大器Sense amplifier (SA) ,且从电压检测改为电流检测。在ABL架构下,同一WL上的BL能同时写入和读取,比传统奇偶BL架构多一倍。因此,ABL架构将写入时长减少一半,相应的干扰施压时长减半,可靠性提高。另一方面,因为奇偶BL是同时写入的,所以它们之间没有写入干扰,FG-FG的干扰作用减轻。
在擦除操作时,FG-FG的干扰没有完全消除,但是从下图可以看到,其影响明显减弱,特别时最高级状态几乎没有Vt偏移。