4 半导体存储器

半导体存储器2主要内容引言半导体存储器的主要指标和类型几种半导体存储器的工作原理浮栅存储器的失效表征浮栅存储器的可靠性问题浮栅存储器的失效机理3存储器的产生及发展1967年Kahng、S.Sze——非挥发存储器1968年Dennard——单晶体管DRAM1971年第一个浮栅器件问世1987年Flash存储器提出1993年16MbflashEEPROM问世4引言什么是存储器？存储器是一种能存放数据程序的部件。它必须具备的基本功能就是保存所读入的代码，在需要时可以取出(读出)。存储器不仅是各种电子数字计算机的主要组成部分，也为其他电子技术广泛采用。半导体存储器的性能水平微电子的技术水平表征5半导体存储器的应用领域各型计算机工程工作站IC存储卡通信设施数字电视办公设备(如传真机)家电设备(如CD机)大多数具有智能性的设备、仪表或部件存储器电路一直是数字型集成电路的主流产品，是半导体产品总销售额最大的支柱。6半导体存储器的主要指标存储容量工作速度衡量它的工作能力的大小，容量越大其工作能力越强。一般来说存储单元的总数就是它的存储容量。如：千位(Kb)、兆位(Mb)、千兆位(或吉位)(Gb)。即存取速度。它用存取周期来表示。存取周期指的是从存储器开始存取第一个字到能够存取第二个字为止所需的时间，也称为存取时间。存取时间越短，存取速度就越高，该存储器的性能也就越好。7存储器的可靠性存储器的可靠性平均故障间隔时间MTBF两次故障之间的平均时间间隔MTBF越长，表示可靠性越高，即保持正确工作能力越强。8性能价格比存储器容量存储周期可靠性性能价格比是一个综合性指标，对于不同的存储器有不同的要求。对于外存储器，要求容量极大，而对缓冲存储器则要求速度非常快，容量不一定大。性能/价格比是评价整个存储器系统很重要的指标。9在选用存储器时不但要对它的容量和速度，还要对它的功耗、体积、成本和可靠性等指标进行综合考虑。10半导体存储器的分类双极型存储器优点：速度快缺点：功耗大，工艺复杂、成本高而集程度又不够大MOS型存储器优点：密度高、容量大、功耗低、成本低缺点：速度较慢。随着半导体工艺技术的发展，MOS存储器工作速度的不断提高，它已成为数字技术中必不可少的组成部分，是大规模集成电路的一个重要方面。11半导体存储器MOS存储器RAMROMDRAMSRAM掩模ROMPROMEPROMEEPROMFlashMemory双极型存储器半导体存储器的分类图12RAM(RandomAccessMemory)RAM(随机存取存储器):定义：是以大致相同的高速度实现读出和写入的存储器。特点：可以随时存取数据，但是一旦断电，保存在其中的数据就会全部丢失。RAM一般分为两类：动态RAM(DynamicRAM,DRAM)静态RAM(StaticRAM,SRAM)RAM在计算机中常用来存放各种数据、指令和计算的中间结果。由于SRAM的读写速度远快于DRAM，所以PC中SRAM大都作为高速缓存(Cache)使用，DRAM则作为普通的内存和显示内存使用。13DRAM(DynamicRAM)DRAM(动态随机存取存储器)：利用MOS管的栅极电容对电荷的暂存作用来存储信息的。优点：存储单元元件最少，集成度最高，功耗小，每位成本也最低。缺点：需要刷新和对时序有严格的要求。它的抗干扰能力差。14微细加工和DRAM的集成度逐年进展15SRAM(StaticRAM)SRAM(静态随机存取存储器)：SRAM的存储单元由双稳态触发器组成。优点：状态稳定，可在不断电的情况下长期保存信号，不需要“刷新”，工作速度较快缺点：采用6管而集成度不高，功耗大16其它几种类型的随机存储器结构组合随机存储器(iRAM)非易失随机存储器(NVRAM)视频随机存储器(VRAM)内容寻址随机存储器(CAM)17ROM(Read-OnlyMemory)ROM(只读存储器)：定义：这是一种线路最简单半导体电路，通过掩模工艺，一次性制造，其中的代码与数据将永久保存(除非坏掉)，不能进行修改。ROM能够高速读出，但不能变更已写入的内容。无论哪种ROM在切断电源后存储的信息都不会丢失，故称为非挥发性存储器（NonvolatileMemory）。优点：结构简单，所以位密度比可读/写存储器高。具有非易失性，所以可靠性高。成本低缺点：一次性制造，不能进行修改18掩模PROM在制作阶段就把要写入的数据作为掩模图形定制成型，是永久的数据固化了的掩模编程ROM。生产厂家制定，用户不能自己另行写入19PROM(ProgrammableRead-OnlyMemory)PROM(可编程只读存储器):只允许写入一次，所以也被称为“一次可编程只读存储器”(OneTimeProgarmmingROM，OTP-ROM)特点：PROM一经编程写入，则不能再修改20EPROM(ErasableProgrammableROM)EPROM（UVEPROM）：指的是“可擦写可编程只读存储器，是电写入且可以用紫外线照射进行擦除的ROM。优点：具有可擦除功能，擦除后即可进行再编程。缺点：擦除需要使用紫外线照射一定的时间，并且擦洗时，将整个芯片原存的全部信息都擦去。21EEPROM（ElectricallyErasableProgrammableROM)EEPROM（EAPROM）：指的是“电可擦除可编程只读存储器”。优点：可直接用电信号擦除，也可用电信号写入。以字节为单位的电可写电可擦除的ROM。EEPROM可擦去其中的一部分信息。缺点：工艺复杂，耗费的门电路过多，且重编程时间比较长，同时其有效重编程次数也比较低。22FlashmemoryFlashmemory指的是“闪存”，所谓“闪存”，它也是一种非易失性的内存，属于EEPROM的改进产品。是以字节为单位写而整片分批擦除或者是按大的单位擦除而将单元面积做小的快闪存储器。特点：在不加电的情况下能长期保持存储的信息；须按块(Block)擦除(而EEPROM则可以一次只擦除一个字节)。目前“闪存”被广泛用在PC机的主板上，用来保存BIOS程序，便于进行程序的升级。其另外一大应用领域是用来作为硬盘的替代品，具有抗震、速度快、无噪声、耗电低的优点。但是将其用来取代RAM就显得不合适，因为RAM需要能够按字节改写，而FlashROM做不到。23FlashMemory集其它类非易失性存储器的特点：与EPROM相比较，闪速存储器具有明显的优势——在系统电可擦除和可重复编程，而不需要特殊的高电压（某些第一代闪速存储器也要求高电压来完成擦除和/或编程操作）；与EEPROM相比较，闪速存储器具有成本低、密度大的特点。其独特的性能使其广泛地运用于各个领域，包括嵌入式系统，如PC及外设、电信交换机、蜂窝电话、网络互联设备、仪器仪表和汽车器件，同时还包括新兴的语音、图像、数据存储类产品，如数字相机、数字录音机和个人数字助理（PDA）。24新原理、新材料微电子存储器举例铁电存储器单电子半导体存储器全息存储器蛋白质存储器利用电容器两极板之间的铁电材料极化方向的变化来存储数据利用浮栅点来存储数据用晶体来作为存储信息的媒体存储媒体是一种噬菌调理素的蛋白质分子质子存储器靠质子进入硅芯片形成的电场来存储信息25几种半导体存储器的工作原理EPROM(UVEPROM)的工作原理26吸收了紫外线能量的电子可以越过SiO2的势垒27EEPROM的工作原理FLOTOX结构MNOS结构FLASH结构28FLOTOX结构的EEPROM在强场下漏与浮栅之间可以进行双向电子流动，由此实现对单元的擦和写FlotoxEEPROM的结构剖面29FlotoxEEPROM的单元电路采用双管而不是单管单元的目的是为了尽量减少薄氧化层承受高压感应的可能性，以免薄氧化层破坏或使浮栅上的存储电荷漏掉。30MNOS结构的EEPROM31FlashMemory的工作原理优点:体积小、功耗省、速度快和成本低FlashMemory的结构剖面32FlashMemory的工作原理Program：控制栅（CG）和漏接高电平；源和衬底接地。沟道漏端附近产生CHE（ChannelHotElectron）注入浮栅（FG）。33FlashMemory的工作原理Erase：控制栅接地或低电平；漏悬空；源接高电平。浮栅上的电子，在沟道源端附近发生FN（Fowler－Nordheim）隧穿，被源端收集。34FlashMemory的工作原理(IV特性)ErasedProgrammed35半导体存储器的比较36EPROM与EEPROM的性能对比EPROMEEPROM用紫外光擦除用电擦除要长时间擦除(半小时)擦除快(10ns)要有独立的擦除设备系统内编程封装难(要开窗口)封装易对光照反应灵敏对光照不灵敏37EEPROM的发展概况1971年第一个浮栅器件问世1972年提出堆栅MOS器件结构1973年FRAM关键技术突破1977年SIMOS结构提出1980年16kbEEPROM报道1982年单5VEEPROM报道1986年256kb单层多晶硅EEPROM出现1987年FlashEEPROM提出1989年1Mb1mmflashEEPROM问世1Mb三层多晶硅EEPROM提出1992年4MbflashEEPROM(0.6mm，三阱CMOS工艺)出现1993年16MbflashEEPROM(0.6mm，三阱，单层多晶，多晶硅化物，单层金属)问世；单层Poly，用标准CMOS工艺做成的单层多晶硅EEPROM问世；4MbFRAM问世38EEPROM工艺技术的发展年份/年工艺技术/mm19823.019852.019881.251989119920.639EEPROM存储量的发展年份/年存储容量198216kb198564kb1988256kb19891Mb19924Mb199416Mb40EEPROM存储单元面积的变化年份/年存储单元面积/mm219795001982260198754198915.219923.619943.441EPROM、一次编程PROM、EEPROM的性能对比UV-EPROM一次编程PROM双管EEPROMFalshmemory封装窗口陶瓷封装塑封塑封塑封擦除时间20min不可擦除1ms100ms编程时间1ms1ms1ms100ms单元面积(2mm规则)64mm264mm2270mm264mm2芯片面积(32kb)32.9mm232.9mm298mm232.9mm2可靠性筛选方法非筛选筛选筛选擦除方法紫外线不能擦除电可擦除电可擦除42EEPROM和Flashmemory的性能对比非挥发性耐久性密度单元中的晶体管数充电机理放电机理编程复杂度擦除引线脚EEPROM有好中双隧道效应隧道效应简单写入时自动擦除少Flashmemory有良好高单热电子发射隧道效应复杂字组擦除多43浮栅存储器的失效表征EEPROM中隧道氧化层的可靠性FLOTOXEEPROMMOS管的可靠性EEPROM的耐久性研究EEPROM的保持特性研究EEPROM的失效机理44浮栅存储器的失效表征用阈值窗口的退化来表征存储的退化情况测量方法引起存储器退化的原因擦写操作使浮栅充电和放电导致的阈值电压发生了变化，且擦写的脉冲电压比较高，它们的上升沿对存储器的退化起主要作用，并且擦写次数越多，则退化越显著。擦写电压越高，退化也越快。而读操作的电压较低，对存储器的退化影响不明显。45EEPROM中隧道氧化层的可靠性测量方法高场应力对C-V、I-V特性的影响隧道氧化层的电击穿特性击穿特性曲线击穿机理提高隧道氧化层质量的措施46FLOTOXEEPROM的基本电学参量浮栅电压Vfg隧穿氧化层电压Vtun阈值电压Vt漏电流Ids隧穿电流Itun47浮栅电压VfgtfgddcggfgCQVAVAV图FLOTOX的电容等效电路其中Ct是总电容，Ct=Cpp+Cb+Ctun；Ag是控制栅耦合