불휘발성 메모리 장치 및 그것의 프로그램 방법 document_id A220623071258

최근 들어 불휘발성 메모리를 사용하는 장치들이 증가하고 있다, 예를 들면, MP3 플레이어, 디지털 카메라, 휴대 전화, 캠코더, 플래시 메모리 카드, 및 SSD(Solid State Drive) 등은 저장장치로 불휘발성 메모리를 사용하고 있다. 불휘발성 메모리 장치의 일종으로 플래시 메모리 장치(Flash Memory Device)가 있다. 일반적으로, 플래시 메모리 장치는 전기적으로 프로그램 및 소거 동작이 가능한 불휘발성 반도체 메모리 장치이다. 최근에는 모바일 기기의 대용량 저장장치나 코드 메모리(Code Memory) 등의 적용에서 고용량 혹은 고속 특성이 요구됨에 따라 플래시 메모리가 많은 호응을 얻고 있다. 플래시 메모리 장치는 낸드형(NAND type) 플래시 메모리와 노어(NOR type) 플래시 메모리로 분류될 수 있다. 낸드형 플래시 메모리는 일반적으로 플로팅 게이트 트랜지스터(floating gate transistor)로 구성된 메모리 셀들의 어레이를 포함한다. 메모리 셀 어레이는 복수의 메모리 블록을 포함한다. 각 메모리 블록은 플로팅 게이트 트랜지스터들의 스트링들(또는, "낸드 스트링"이라 불림)을 포함한다. 하나의 스트링은 스트링 선택 트랜지스터(string selecting transistor), 접지 선택 트랜지스터(ground selecting transistor), 그리고 그 사이에 연결되는 복수의 메모리 셀(memory cell)로 구성된다. 복수의 워드 라인들이 스트링들에 교차하도록 셀 어레이에 배열되며, 각 워드 라인은 각 스트링의 대응하는 셀 트랜지스터의 제어 게이트에 연결된다. 노어 플래시 메모리 장치의 셀 어레이는 하나의 비트 라인에 복수의 메모리 셀들이 병렬로 배열되는 구조를 갖는다. 노어 플래시 메모리 반도체 장치는 낸드형 플래시 메모리와 비교할 때, 프로그램 및 읽기 동작에 있어서 빠른 속도를 갖기 때문에 빠른 속도 특성을 요하는 분야에서 폭넓게 이용되고 있다. 그러나 집적도면에서 낸드형 플래시 메모리보다 불리하다. 저장 용량의 한계를 극복하기 위한 대안으로 멀티 레벨 셀(Multi level cell: 이하 MLC) 방식이 보편적으로 채택되고 있다. MLC는 하나의 메모리 셀에 복수 비트를 저장함으로 물리적 집적도의 한계를 극복한다. 도 1은 낸드 플래시와 같은 메모리에서 하나의 셀 당 2 비트(MSB, LSB)가 저장되는 멀티 레벨 셀의 문턱 전압 분포와 그에 대응하는 데이터 값을 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 멀티 레벨 셀의 데이터 값은 문턱 전압의 상태가 낮은 순서로부터 '11', '01', '10', '00'에 각각 대응된다. 일반적으로 '11' 상태는 소거된 상태이다. 프로그램 동작은 소거상태인 '11'에서 시작된다. 메모리 셀은 문턱 전압 분포에 따라 4개의 상태(11, 01, 10, 00) 중 어느 하나를 갖도록 프로그램된다. 먼저, 하위 비트(LSB)가 프로그램되는 과정이 설명된다. 하위 비트 데이터에 따라 메모리 셀의 문턱 전압은 소거 상태를 유지하거나, 10` 상태로 변한다. 예를 들어, 하위 비트 데이터가 1인 경우, 메모리 셀의 문턱 전압은 소거 상태를 유지하고 하위 비트 데이터가 0인 경우 메모리 셀의 문턱 전압은 10` 상태로 증가한다. 다음으로, 상위 비트(MSB) 데이터가 프로그램된다. 10' 상태를 갖는 메모리 셀은 상위 비트(MSB)에 따라 00 상태를 갖도록 프로그램되거나, 10 상태를 갖도록 프로그램된다. 예를 들어, 10` 상태를 갖는 메모리 셀은 상위 비트가 0인 경우, 00 상태를 갖도록 프로그램되고, 상위 비트 데이터가 1인 경우, 10 상태를 갖도록 프로그램된다. 한편, 11 상태를 갖는 메모리 셀은 상위 비트(MSB)에 따라 11 상태를 유지하거나, 01 상태를 갖도록 프로그램 된다. 예를 들어, 11 상태를 갖는 메모리 셀은 상위 비트가 0인 경우, 01 상태를 갖도록 프로그램되고, 상위 비트 데이터가 1인 경우, 11 상태를 유지한다. 위와 같은 방법으로, 멀티 비트 데이터가 하나의 메모리 셀에 프로그램된다. 즉, 하위 비트(LSB)가 먼저 프로그램되고, 하위 비트(LSB)가 프로그램되어 있는 메모리 셀에 상위 비트(MSB)가 프로그램된다. 그러나 하위 비트(LSB)가 프로그램되어 있는 메모리 셀에 상위 비트(MSB)를 프로그램하는 과정에서 프로그램 페일(program fail)이 발생할 가능성이 있다. 예를 들어, 상위 비트 프로그램 중에 정전이 발생하는 경우 프로그램 페일이 발생한다. 또는, 메모리 셀의 결함에 의해 프로그램 페일이 발생할 수도 있다. 상위 비트(MSB)를 프로그램하는 중에 프로그램 페일이 발생하면, 이미 프로그램되어 있는 하위 비트(LSB)가 영향을 받는 문제가 생긴다. 이러한 문제를 비트 커플링(bit coupling)이라 한다.