NorFlash存储器的编程系统及方法与流程

NorFlash存储器的编程系统及方法技术领域本发明涉及非易失性存储器技术领域，更具体地说，涉及一种NorFlash存储器的编程系统及方法。

背景技术：
随着电子信息技术的发展，电子可编程可擦除的非易失性存储器技术广泛应用于各种电子产品中。常见的种类为EEPROM和闪存，而NorFlash和NandFlash是目前市场上两种主要的非易失闪存技术。在现有技术中，EEPROM和NandFlash通常采用F-N隧穿的编程方式对存储单元进行编程。与此不同，NorFlash是采用热电子注入（ChannelHotElectronInjection）方式对存储单元进行编程操作的。然而，目前传统的热电子注入方式的编程电流比F-N隧穿方式的编程电流大很多，这也决定了NorFlash不能像EEPROM和NandFlash那样一次可以同时对很多个字节存储单元进行编程操作。如图2A所示，现有的NorFlash存储单元的编程实施方法具体为：电源电压为3V；在字线（WL，WordLine）上施加字线编程电压Vwl0，Vwl0固定为9.5V；在位线（BL，BitLine）上施加位线编程电压Vbl0，Vbl0固定为3.9V；源线（SL，SourceLine）和衬底线（SUBL，SubstrateLine）接地。对NorFlash存储单元的编程操作是通过使用沟道热电子注入的方式将源极的电子注入到浮栅当中，从而增加存储单元的阈值电压Vth0，使存储单元编程到逻辑“0”。在图2B中我们可以看出，NorFlash存储单元的阈值电压Vth0分布曲线向X轴正方向平移。由于目前对NorFlash编程操作所采用的热电子注入方式，为了能使存储单元的Vth0分布曲线能更加紧密，编程操作的时间是固定的。图2C示出了现有技术对NorFlash存储单元编程时所需的字线编程电压Vwl0和字线编程Vbl0，以及注入到存储单元浮动栅极的电荷数量的变化，存储单元Vth0的变化和编程电流Ibl0的变化。在图2C中我们可以看出，随着存储单元的Vth0的迅速增加，编程电流Ibl0急剧减小。如图3A所示，现有的NorFlash存储单元的擦除实施方法具体为：电源电压为3V；在字线WL上施加字线编程电压Vwl1，Vwl1固定为-9.5V；位线BL浮置；在源线SL和衬底线SUBL上施加7.7V的擦除电压。对NorFlash存储单元的擦除操作是通过使用F-Ntunneling的方式将存储单元浮动栅极中的电子“吸”到沟道以及源极，从而减小存储单元的阈值电压Vth1，使存储单元擦除到逻辑“1”。在图3B中我们可以看到，存储单元的阈值电压Vth1分布曲线向X轴负方向平移。总之，NorFlash一次同时编程的存储单元的字节数受到存储器芯片内部的位线电荷泵的驱动能力所限，而在现有技术的NorFlash编程技术中，芯片内部的位线电荷泵只在编程刚刚开始的很短时间内是满载的，这大大降低了芯片内部的位线电荷泵的使用效率。而且，在图2A所示的传统编程方式中，对NorFlash中每一比特存储单元的编程电流峰值将会达到300μA，这大大地限制了NorFlash一次同时编程存储单元的字节数，现有的NorFlash编程技术通常只能同时对单字节或两字节存储单元进行编程，而不能对更多字节存储单元进行编程。特别是对于存储容量比较大的NorFlash，对整颗芯片的编程总时间将会很长，会导致测试成本太高，在实际情况中是不允许的。

技术实现要素：
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的无法同时对多字节NorFlash存储单元进行编程的缺陷，提供一种NorFlash存储器的编程系统及方法，可提高位线电荷泵的使用效率，可同时对多字节存储单元进行编程，且可大大降低NorFlash存储器的总编程时间，以提高编程效率。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种NorFlash存储器的编程系统，包括位线、字线、源线及多个存储单元，每个存储单元具有一源极、一漏极、一控制栅极和一浮动栅极，漏极与位线连接，控制栅极与字线连接，源极与源线连接，源线接地。所述编程系统还包括：位线编程驱动模块，与位线连接，用于对编程对象中的各个存储单元的漏极施加具有固定值的位线编程电压；字线编程驱动模块，与字线连接，用于对编程对象中的各个存储单元的控制栅极施加具有初始值的字线编程电压；反馈控制模块，分别与位线和所述字线编程驱动模块连接，用于对编程对象中的各个存储单元的编程电流进行检测，并根据检测到的编程电流向所述字线编程驱动模块输出反馈控制信号；所述字线编程驱动模块进一步用于根据所述反馈控制信号来调节所述字线编程电压的电压值，以控制所述编程电流保持基本不变。优选地，所述反馈控制模块包括：电流检测电路，连接在所述位线编程驱动模块和位线之间，用于对编程对象中的各个存储单元的编程电流进行检测；电流电压转换电路，与所述电流检测电路连接，用于将检测到的编程电流转换为电压信号；电压比较器，与所述电流电压转换电路连接，用于将所述电压信号与一电压参考值进行比较，输出电压比较结果信号；数字控制器，连接在所述电压比较器和所述字线编程驱动模块之间，用于根据所述电压比较结果信号生成所述反馈控制信号。优选地，所述字线编程驱动模块包括第一电荷泵和多个开关，所述第一电荷泵为多级输出，每级输出分别通过各自对应的开关连接至字线；所述数字控制器进一步用于输出所述反馈控制信号来控制每个开关的开启和关闭。优选地，所述字线编程驱动模块包括第二电荷泵、多个分压模块和多个开关；所述第二电荷泵与所述多个分压模块串联后接地；一个开关对应于一个分压模块，每个开关的一端连接于各自对应的分压模块的输入端，另一端连接于字线；所述第二电荷泵用于输出字线编程总电压；所述多个分压模块用于将所述字线编程总电压分成各个不同的字线编程电压；所述数字控制器进一步用于输出所述反馈控制信号来控制每个开关的开启和关闭。优选地，所述编程系统还包括：编程对象选择模块，用于选择编程对象，并将所述位线编程驱动模块100连接至所选择的编程对象对应的位线上以及将所述字线编程驱动模块连接至所选择的编程对象对应的字线上。优选地，所述字线编程驱动模块输出的字线编程电压是阶梯状逐步增加的。本发明还提供一种NorFlash存储器的编程方法，该NorFlash存储器包括位线、字线、源线及多个存储单元，每个存储单元具有一源极、一漏极、一控制栅极和一浮动栅极，漏极与位线连接，控制栅极与字线连接，源极与源线连接，源线接地，所述方法包括以下步骤：S1、对编程对象中的各个存储单元的漏极施加具有固定值的位线编程电压；S2、对编程对象中的各个存储单元的控制栅极施加具有初始值的字线编程电压；S3、对编程对象中的各个存储单元的编程电流进行检测，并根据检测到的编程电流向所述字线编程驱动模块输出反馈控制信号；S4、根据所述反馈控制信号来调节所述字线编程电压的电压值，以控制所述编程电流保持基本不变。优选地，所述步骤S3进一步包括以下步骤：S31、对编程对象中的各个存储单元的编程电流进行检测；S32、将检测到的编程电流转换为电压信号；S33、将所述电压信号与一电压参考值进行比较，输出电压比较结果信号；S34、根据所述电压比较结果信号生成所述反馈控制信号。优选地，在所述步骤S1之前还包括以下步骤：S5、选择编程对象。优选地，在所述步骤S4中，所述字线编程电压是阶梯状逐步增加的。实施本发明的NorFlash存储器的编程系统及方法，可以减小单个存储单元的编程电流，一次同时对更多字节的NorFlash存储单元进行编程，从而大大地降低对整颗NorFlash的总编程时间，而且可以有效地提高芯片内部的位线电荷泵的使用效率。附图说明下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：图1A是现有的NorFlash存储单元的结构示意图；图1B是图1A所示的NorFlash存储单元的元件符号示意图；图2A是现有的NorFlash存储单元的编程方式示意图；图2B是图2A的编程过程中存储单元的阈值电压的变化曲线示意图；图2C是图2A的编程过程中存储单元的编程电压、编程电流、注入到浮栅中的电子数和阈值电压的变化曲线示意图；图3A是现有的NorFlash存储单元的擦除方式示意图；图3B是图3A的擦除过程中存储单元的阈值电压的变化曲线示意图；图4是本发明的NorFlash存储器的编程系统较佳实施例的结构示意图；图5是本发明的NorFlash存储器的编程系统较佳实施例中的反馈控制模块的结构示意图；图6是本发明的字线编程驱动模块的第一实施例的电路示意图；图7是本发明的字线编程驱动模块的第二实施例的电路示意图；图8是本发明的NorFlash存储器的编程方法较佳实施例的流程图；图9是依照图8所示的方法的编程过程中存储单元的编程电压、编程电流、注入到浮栅中的电子数和阈值电压的变化曲线示意图；图10A是现有的NorFlash存储单元阵列示意图；图10B是本发明编程技术的NorFlash存储单元阵列较佳实施例的示意图；图11是依照现有编程技术和本发明编程技术较佳实施例分别对NorFlash进行编程的总编程时间与所编程的存储单元字节数的函数关系示意图。具体实施方式图1A示出了NorFlash存储单元的器件结构。NorFlash存储器可包括字线WL、位线BL、源线WL、衬底线SUBL及多个存储单元，每个存储单元为1比特，8比特存储单元为1字节存储单元。如图1A所示，每个存储单元（即每比特存储单元）包括一个源极，一个漏极，一个控制栅极和一个浮动栅极。可见，它的构造和一般的MOS管略有不同，多了一个浮动栅极，该浮动栅极被绝缘体ONO层和隧道氧化物层隔绝于其他部分。其中，存储单元的控制栅极与字线WL连接，漏极与位线BL连接，源极与源线SL连接，衬底B与衬底线SUBL连接。图1B示出了图1A所示的NorFlash存储单元相应的元件符号。图4是本发明的NorFlash存储器的编程系统较佳实施例的结构示意图。如图4所示，本发明的NorFlash存储器的编程系统包括字线WL、位线BL、源线WL、衬底线SUBL及多个存储单元（图中仅示出其中的一个存储单元）、位线编程驱动模块100、字线编程驱动模块200和反馈控制模块300。每个存储单元具有一源极、一漏极、一控制栅极和一浮动栅极，漏极与位线BL连接，控制栅极与字线WL连接，源极与源线SL连接，源线SL接地；位线编程驱动模块100连接至位线BL，用于对各个存储单元的漏极施加具有固定值的位线编程电压Vbl2，例如，Vbl2为3V；字线编程驱动模块200连接至字线WL，用于对编程对象中的各个存储单元的控制栅极施加具有初始值的字线编程电压Vwl2，例如，Vwl2的初始值为3.5V；反馈控制模块300分别与位线和字线编程驱动模块200连接，用于对编程对象中的各个存储单元的编程电流Ibl2进行检测，并根据检测到的编程电流Ibl2向字线编程驱动模块200输出反馈控制信号；字线编程驱动模块200进一步用于根据反馈控制信号来调节字线编程电压Vwl2的电压值，以控制编程电流Ibl2保持基本不变。较佳地，所述编程系统还包括编程对象选择模块（图未示），用于选择编程对象，并将位线编程驱动模块100连接至所选择的编程对象对应的位线上以及将字线编程驱动模块200连接至所选择的编程对象对应的字线上。下面将结合图10来做出进一步的说明。图10B所示的NorFlash存储器包括128字节存储单元（即1024比特或1024个存储单元，8×128=1024）。每条位线BL0、BL1、BL2、……、BL125、BL126、BL127均各自连接8个存储单元的漏极。每条字线WL0、WL1、WL2、WL3、WL4、WL5、WL6、WL7均各自连接128个存储单元的控制栅极。特别地，每条位线BL0、BL1、BL2、……、BL125、BL126、BL127均通过各自的一个开关连接至位线编程驱动模块100。每条字线WL0、WL1、WL2、WL3、WL4、WL5、WL6、WL7均通过各自的一个开关连接至字线编程驱动模块200。这里的开关（图未示）可以是三极管和MOS管等开关元件。假设本发明同时对16字节存储单元（即128比特或128个存储单元）进行编程，如同时对图10B中的第一行所有的存储单元进行编程，那么在本发明的编程对象选择模块的控制下，开启每条位线BL0、BL1、BL2、……、BL125、BL126、BL127各自对应的开关，每条位线BL0、BL1、BL2、……、BL125、BL126、BL127便均连接至位线编程驱动模块100。同时，开启字线WL7对应的开关，字线WL7便可连接至字线编程驱动模块200，且同时闭合字线WL0、WL1、WL2、WL3、WL4、WL5和WL6各自对应的开关，字线WL0、WL1、WL2、WL3、WL4、WL5和WL6便不能连接至字线编程驱动模块200。这样，便可以对图10B中的第一行所有的存储单元施加位线编程电压Vbl2以及施加字线编程驱动电压Vwl2，而未被选中的字线WL0至字线WL6接0V。当然，本发明并不限于此，本发明的NorFlash存储器也可以包括其他数量的存储单元，本发明的编程对象也可以是其他字节数的存储单元。较佳地，如图5所示，本发明的编程系统较佳实施例中的反馈控制模块300包括电流检测模块301、电流电压转换模块302、电压比较器303和数字控制器304。其中，电流检测电路301连接在位线编程驱动模块100和位线之间，用于对编程对象中的各个存储单元的编程电流进行检测。电流电压转换电路302连接在电流检测电路301和电压比较器303之间，用于将电流检测电路301所检测到的编程电流Ibl2转换为电压信号。电压比较器303包括第一输入端、第二输入端和输出端，其中，第一输入端与带隙基准模块（图未示）连接，以接收电压参考值；第二输入端与电流电压转换电路302连接，以接收电流电压转换模块302所转换的电压信号；输出端与数字控制器304连接。电压比较器303将上述电压信号与一电压参考值进行比较后，生成电压比较结果信号，并通过其输出端输出给数字控制器304。数字控制器304连接在电压比较器303和字线编程驱动模块200之间，用于根据上述电压比较结果信号生成反馈控制信号，以控制字线编程驱动模块200的电压输出。图6是本发明的字线编程驱动模块的第一实施例的电路示意图。如图6所示，在本发明的字线编程驱动模块200的第一实施例中，字线编程驱动模块200包括第一电荷泵和多个开关。第一电荷泵为多级输出，一级输出对应一个开关，每级输出分别通过各自对应的开关连接至字线WL。例如，电荷泵第一级的输出通过开关S_1连接至字线WL，电荷泵第二级的输出通过开关S_2连接至字线WL，以此类推，电荷泵第（n-1）级的输出通过开关S_（n-1）连接至字线WL，电荷泵第n级的输出通过开关S_n连接至字线WL等等（n为整数）。此外，上述的数字控制器304进一步用于输出反馈控制信号来控制上述每个开关的开启和关闭。例如，若数字控制器304控制开启开关S_1，并控制关闭其余所有开关，则字线编程驱动模块200的电压输出为电荷泵第一级输出，如3.5V；若数字控制器304控制开启开关S_2，并控制关闭其余所有开关，则字线编程驱动模块200的电压输出为电荷泵第二级输出，如4V；如此类推，若数字控制器304控制开启开关S_n，并控制关闭其余所有开关，则字线编程驱动模块200的电压输出为电荷泵第n级输出，如9.5V等等。较佳地，第一电荷泵的多级输出为一级一级地递增，如3.5V、4V、4.5V、5V、5.5V、6V、6.5V、7V、7.5V、8V、8.5V、9V、9.5V等等。这样，字线编程驱动模块200输出的字线编程电压可以是阶梯状逐步增加的。当然，这仅是本发明的较佳实施例而已，本发明并不限于此。图7是本发明的字线编程驱动模块的第二实施例的电路示意图。如图7所示，在本发明的字线编程驱动模块200的第二实施例中，字线编程驱动模块200包括第二电荷泵、多个分压模块和多个开关。第二电荷泵、第n分压模块、第n-1分压模块、……、第二分压模块和第一分压模块串联后接地。一个开关对应于一个分压模块，每个开关的一端连接于各自对应的分压模块的输入端，另一端连接于字线。例如，第n分压模块对应于开关S_n（n为整数），开关S_n的一端连接于第n分压模块的输入端，另一端连接于字线；第n-1分压模块对应于开关S_n-1，开关S_n-1的一端连接于第n-1分压模块的输入端，另一端连接于字线；以此类推，第二分压模块对应于开关S_2，开关S_2的一端连接于第二分压模块的输入端，另一端连接于字线；第一分压模块对应于开关S_1，开关S_1的一端连接于第一分压模块的输入端，另一端连接于字线。第二电荷泵的输出端输出字线编程总电压，多个分压模块用于将该字线编程总电压分成各个不同的字线编程电压。此外，上述的数字控制器304进一步用于输出反馈控制信号来控制每个开关的开启和关闭。例如，若数字控制器304控制开启开关S_1，并控制关闭其余所有开关，则字线编程驱动模块200的电压输出为第一分压模块的分压值，如3.5V；若数字控制器304控制开启开关S_2，并控制关闭其余所有开关，则字线编程驱动模块200的电压输出为第二分压模块的分压值，如4V；以此类推，若数字控制器304控制开启开关S_n，并控制关闭其余所有开关，则字线编程驱动模块200的电压输出为第n分压模块的分压值，即第二电荷泵的输出的字线编程总电压，如9.5V等等。较佳地，多个分压模块的输出为一级一级地递增的，如3.5V、4V、4.5V、5V、5.5V、6V、6.5V、7V、7.5V、8V、8.5V、9V、9.5V等等。这样，字线编程驱动模块200输出的字线编程电压可以是阶梯状逐步增加的。当然，这仅是本发明的较佳实施例而已，本发明并不限于此。此外，本发明的位线编程驱动模块100也可以是电荷泵或其他升压稳压电路，以在位线上施加固定的位线编程电压Vbl2。图8是本发明的NorFlash存储器的编程方法较佳实施例的流程图。如图8所示，本发明的NorFlash存储器的编程方法包括步骤801至步骤808。其中：在步骤801中，选择编程对象。如前面所述，确定编程对象后，通过开启编程对象的位线对应的开关和开启编程对象的字线对应的开关，便可选择地对编程对象进行编程。在步骤802中，对编程对象中的各个存储单元的漏极施加具有固定值的位线编程电压。在本发明的编程中，电源电压可接3V，编程对象中的各个存储单元的源线SL和衬底线SUBL接地，编程对象中的各个存储单元的漏极均接于位线BL，在位线BL上施加一位线编程电压Vbl2，即对编程对象中的各个存储单元的漏极施加位线编程电压Vbl2，位线编程电压Vbl2为一固定的电压，例如，3V，当然，也可以为其他电压值。在步骤803中，对编程对象中的各个存储单元的控制栅极施加具有初始值的字线编程电压。例如，在编程对象的字线上施加一具有初始值（如3.5V，也可以为其他值）的字线编程电压Vwl2，即对编程对象中的各个存储单元的控制栅极施加了具有初始值的字线编程电压Vwl2。在步骤804中，对编程对象中的各个存储单元的编程电流Ibl2进行检测。当分别对Ibl2的漏极施加位线编程电压Vbl2和对其控制栅极施加字线编程电压Vwl2后，存储单元会产生编程电流Ibl2，且随着编程的进行，若Vbl2和Vwl2保持不变，编程电流Ibl2将会产生变化。因此，此时，检测编程电流Ibl2的变化，并基于该变化而实现反馈调节。在步骤805中，将检测到的编程电流Ibl2转换为电压信号。在步骤806中，将步骤805转换到的电压信号与一电压参考值进行比较，输出电压比较结果信号。在步骤807中，根据步骤806输出的电压比较结果信号生成反馈控制信号。在步骤808中，根据步骤807输出的反馈控制信号来调节字线编程电压Vwl2的电压值，以控制编程电流Ibl2保持基本不变。例如，当编程电流Ibl2下降时，通过增加字线编程电压Vwl2的电压值以使得编程电流Ibl2回升，从而使得编程电流Ibl2的值在某一数值上来回发生微小波动，即使得编程电流Ibl2保持基本不变。图9示出了本发明提出的对NorFlash存储单元编程时所需要的字线编程电压Vwl2和位线编程电压Vbl2，以及注入到NorFlash存储单元浮动栅极中的电荷数量的变化，存储单元的编程电流Ibl2的变化和存储单元的阈值电压Vth2的变化。其中，字线编程电压Vwl2的初始值为3.5V，随后为阶梯状地增加，位线编程电压Vbl2为一固定值3V。注入到NorFlash存储单元浮动栅极中的电荷数量和阈值电压Vth2均曲线增加。编程电流Ibl2保持基本不变。本发明的主要工作原理是：随着对存储单元编程的进行，字线编程电压Vwl2随着存储单元的阈值电压Vth2的逐渐增加而逐渐增加（通过检测编程电流Ibl2的变化对字线编程电压Vwl2进行反馈控制，使字线编程电压Vwl2相应地增加），最终完成对存储单元的编程操作。通过维持对存储单元的编程电流Ibl2基本稳定，能有效地提高芯片内部电荷泵的使用效率。在一定的位线电荷泵驱动能力下，相比于传统的编程技术，本发明可同时对更多字节的存储单元进行编程。由于位线编程电压Vbl2以及初始的字线编程电压Vwl2分别比图2C所示现有的编程方法中的位线编程电压Vbl0和字线编程电压Vwl0小了很多，这也决定了本发明所提出的对NorFlash存储单元新型编程方法的编程电流Ibl2会相对的小很多，同时，本发明的编程电流Ibl2可保持基本稳定，不会是图2C中的编程电流Ibl0那样急剧下降，从而有效地提高芯片内部电荷泵的使用效率以及大大地增加了一次同时编程的存储单元字节数，如果字线编程电压Vwl2和位线编程电压Vbl2设计合理的话，最多可以对一整个page存储单元同时进行编程操作。此外，由于对NorFlash存储单元的擦除操作包含了预编程，所以如果采用本发明提出的新型编程方法，也将会大大降低对NorFlash存储单元的擦除的时间。为了更好地说明本发明，下面将对传统的编程技术和本发明的编程技术进行比较。如图10A所示，在传统的编程技术中，通常只能对一字节存储单元进行同时编程，例如，同一时间，只能对图10A中的其中一行的存储单元进行编程，如存储单元（BL0，WL7）、存储单元（BL1，WL7）、存储单元（BL2，WL7）、存储单元（BL3，WL7）、存储单元（BL4，WL7）、存储单元（BL5，WL7）、存储单元（BL6，WL7）和存储单元（BL7，WL7），共8个存储单元，即为一字节存储单元。如图10B所示，在本发明的编程技术的一个较佳实施例中，能对16字节的存储单元进行同时编程，例如，同一时间，能对图10B中的其中一行的存储单元进行编程，如存储单元（BL0，WL7）、存储单元（BL1，WL7）、存储单元（BL2，WL7）、……、存储单元（BL125，WL7）、存储单元（BL126，WL7）和存储单元（BL127，WL7），共128个存储单元，即为16字节存储单元。图11示出了依照传统编程技术对NorFlash进行编程的总编程时间与所编程的存储单元字节数的函数关系，以及示出了依照本发明编程技术对NorFlash进行编程的总编程时间与所编程的存储单元字节数的函数关系。如图11所示，横坐标N表示所编程的存储单元的字节数，纵坐标T表示总编程时间，T0表示传统编程的总编程时间，T1表示本发明编程的总编程时间。从图11中可以看出，虽然本发明提出的新型编程方法对NorFlash中单个比特存储单元的编程时间会稍微大于传统编程方法的编程时间，但是从多字节存储单元的总编程时间来看，本发明提出的新型编程方法的优势很明显，能大大地缩短NorFlash中多字节存储单元的总编程时间。由于本发明在起始的编程时，施加较小的字线编程电压Vwl2和位线编程电压Vbl2，使得编程电流Ibl2为一个相对较小的一个值，会小幅度地增加单个存储单元的编程时间，但是，本发明可同时对很多字节的存储单元进行编程，这会大大降低page编程的时间。实施本发明的NorFlash存储器的编程系统及方法，可同时对更多字节的NorFlash存储单元进行编程，从而大大地降低了对整个NorFlash存储器的总编程时间，而且可以有效地提高芯片内部的位线电荷泵的使用效率。总之，本发明编程效率高，测试成本低。虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。