ISPP(Incremental Step Pulse Program) 란?

Incremental Step Pulse Program의 설명

 

  문턱 전압 분포 width를 줄이려면, One Pulse 프로그램 방식이 아니고, step 폭이 작지만, 여러 step으로 나눈 프로그램 방식을 사용하는데, 이를 ISPP(Incremental Step Pulse Program)라 한다. ISPP는 프로그램 시의 전압을 세분화하여 단계별로 전압을 조금씩 올리는 방식이다. 한 wafer 상의 민감도가 제각기 상이한 셀들은 page 단위로 프로그램하기 위하여는 프로그램 시에 프로그램할 target 셀의 word line에 가하는 약 16V~20V 사이의 전압을 일시에 높은 전압으로 가하지 않고, starting bias 전압으로는 프로그램이 가장 잘 되는 셀에 기준을 맞추어, 되도록 낮은 biasing 전압에서부터 시작하여 단계별로 조금씩 증가시키면서 프로그램 전압을 인가함으로써, 분포 issue와 신뢰성 issue을 되도록 최소화시킨다.

  문턱 전압 분포를 형성하는 데 있어서, Control Gate에 인가하는 pulse의 횟수적인 측면에서 볼 때, 프로그램 분포는 1-Pulse 분포와 ISPP 분포로 나눌 수 있다. 1-Pulse 분포는 분포 폭이 너무 넓게 분포되어 있어서, Floating Gate의 프로그램 방식 중의 하나인 여러 pulse인가 방식을 이용하여 분포 폭을 좁게 작업을 한 분포가 ISPP이다. 1-Pulse 분포는 프로그램 시에 Control Gate에 고전압 프로그램 bias를 1번만 가하여 프로그램한 후, Chip 내의 각 Cell의 문턱 전압 값을 측정한 분포다. 분포에 영향을 끼치는 요소들은 프로그램 시에 인가하는 각종 bias voltage들의 변동 요인, coupling ratio에 의한 변동성, 제품 margin, 제조 공정상의 변동성 및 pulse 인가 횟수 등이다. ISPP는 좁은 프로그램 문턱 전압 분포 폭을 얻기 위한 프로그램 알고리즘으로서, pluse 인가 횟수를 늘리는 대신, 인가하는 step 폭을 좁힐수록 비례하여 분포 폭이 좁게 형성된다. 따라서 낸드플래시의 프로그램에서 제일 중요한 요소인 분포 폭을 좁히고, 과한 프로그램도 피하면서, 다시 프로그램하는 것을 방지하기 위한 다목적 프로그램 방식으로 ISPP를 사용한다.

  ISPP 분포는 Cell을 프로그램하는 데, 프로그램 전압 step 단계별로 프로그램을 실시한 후에, 각 step 별로 verification을 하여 얼마 정도의 프로그램이 진행되는지를 점검해가며, 원하는 타겟에 프로그램 분포가 충족되도록 수행한 분포이다. ISPP는 SLC> MLC> TLC로 가면서 더욱 정교해지고 있다. ISPP 분포에 영향을 끼치는 요인들로는 셀과 셀 사이의 간섭 현상, Floating Gate 주변의 전자 trapping, 농도, oxide 두께, source bouncing cell 내의 구조적인 변수들이 있으며, 이런 요인들이 ISPP 분포 폭을 side 하게 하는 작용을 한다.

 

 

산포의 그래프

 

ISPP의 방법

  프로그램상의 단점들을 보완하기 위하여, 작은 step 단위로 나누어서 전압을 단계별로 올리면서 프로그램하는 step pulse 방식은, 전압을 가하여 Floating Gate에 일정량의 전자를 주입한 후, 각 bit line에 연결된 data register가 Floating Gate에 충전된 전자 상태를 확인하여 셀의 문턱 전압이 target보다 낮으면 다음 step pulse로 gate에 전압을 한 단계씩 올려가면서 진행한다. Step의 전압 차이는 고정적으로 정해진 것은 없고, 적정한 step 수와 전압의 변동량으로 조정한다. 처음 시작은 셀이 지워진 상태에서 시작하여, ISPP가 증가함에 따라 비례하여 전자들이 점차 많이 충전되는 방향이다. 각 프로그램 step 별 Floating Gate의 전자 충전 상태는 지속적으로 증가하는 방향이다. 15V 미만에서는 프로그램을 수행하지 않으므로 셀은 지워진 상태이고, 프로그램된 셀의 Floating Gate 내의 전자 충전량은 ISPP step이 증가하는 전압과 비례하여 증가한다. 이는 SLC를 기준으로 문턱 전압 분포가 1개일 때를 설정한 것이고, MLC 혹은 TLC일 경우는 분포 레벨에 따라서 Starting과 ending point에서의 Floating Gate의 전자 충전량이 다르다.

  각 프로그램 step을 마치고, 매번 셀의 프로그램이 계획된 양만큼 충전되었는지를 점검하기 위하여 진행하는 verification은 target 셀을 읽어서 target bit line에 전류가 흐르는지를 측정하여 해당 step에서의 프로그램 완료 여부를 확인하다. Target bit line에 전류가 흐르면 program이 target에 충족하지 못한 셀이므로 다음 단계의 ISPP를 가하여 Program을 계속 진행하고, target bit line을 program verification 후, 더 이상 bit line에 전류가 흐르지 않으면, 프로그램이 최종 완료된 것으로 판단하여 ISPP 프로그램을 완료한다. 프로그램 verification도 SLC, MLC, TLC에 따라 분포 레벨이 다르고 verification 적용방법이 다양하다. 그러나 ISPP는 만능이 아니므로 이를 적용해도, 분포 폭이라던가 셀의 excess 프로그램 issue를 완전히 해결할 수는 없는 한계가 존재한다.