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          走進(jìn)閃存技術(shù)

          作者: 時(shí)間:2013-01-24 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
          作為(可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器)和E(電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器)兩種存儲(chǔ)器的折衷,閃存是20世紀(jì)80年代問(wèn)世的。像E存儲(chǔ)器一樣,閃存支持電擦除數(shù)據(jù);保存新數(shù)據(jù)閃存無(wú)需擦除整個(gè)存儲(chǔ)陣列。像EPROM存儲(chǔ)器一樣,閃存陣列的架構(gòu)是每單元一個(gè)晶體管結(jié)構(gòu),使芯片廠商能夠制造出成本效益和存儲(chǔ)密度更高的存儲(chǔ)器。

          首先,閃存受益于PC機(jī)市場(chǎng)的飛速增長(zhǎng)。在PC時(shí)代剛剛開(kāi)始時(shí),易失性存儲(chǔ)器DRAM (動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)和SRAM (靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器) 雖然固有數(shù)據(jù)易失性的缺點(diǎn),但仍然是兩個(gè)最重要的存儲(chǔ)器。隨著設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)的進(jìn)步提高了的密度和可用性,作為對(duì)現(xiàn)有的SRAM和DRAM子系統(tǒng)的一種補(bǔ)充,閃存斷電保留數(shù)據(jù)和高速度讀取的性能加快了其在市場(chǎng)上的推廣應(yīng)用。

          因?yàn)楣牡秃?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/非易失性">非易失性的優(yōu)點(diǎn),閃存被證明是最適合便攜應(yīng)用發(fā)展的存儲(chǔ)器,因此加快了移動(dòng)時(shí)代的到來(lái)。最早出現(xiàn)的閃存是以代碼執(zhí)行為主要應(yīng)用的NOR閃存。此后又出現(xiàn)了另外一種叫做NAND的閃存,隨著閃存的每位成本降低,完整的存儲(chǔ)解決方案開(kāi)始從硬盤(HDD)開(kāi)始向固態(tài)存儲(chǔ)器轉(zhuǎn)換,從而推動(dòng)了今天的移動(dòng)多媒體應(yīng)用的發(fā)展。

          技術(shù)說(shuō)明:

          閃存、EPROM和EEPROM器件保存數(shù)據(jù)都使用相同的基本浮柵機(jī)制,但是讀寫數(shù)據(jù)時(shí)卻采用不同的方法。無(wú)論是哪一種情況,基本存儲(chǔ)單元都是由一個(gè)雙柵MOS晶體管(MOSFET)組成:控制柵連接讀寫電路,浮柵位于控制柵和MOSFET的溝道 (在MOSFET上電子從源極流到漏極經(jīng)過(guò)的通道)之間。

          在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)MOSFET內(nèi),控制溝道的電阻只使用一個(gè)柵極控制電流:通過(guò)在柵極上施加電壓,可以控制從源極流到漏極的電流的大小。存儲(chǔ)器中的MOSFET還有第二個(gè)柵極,一個(gè)二氧化硅絕緣層將這個(gè)柵極完全包圍起來(lái),即第二個(gè)柵極與晶體管的其余部分保持絕緣狀態(tài)。因?yàn)楦诺組OSFET溝道的距離非常近,所以,電荷即使很小,對(duì)晶體管的電特性的作用也很容易檢測(cè)到。通過(guò)給控制柵施加適當(dāng)?shù)男盘?hào),并測(cè)量晶體管特性的變化,可以確定浮柵上是否存在電荷。因?yàn)楦排c其余晶體管其余部分是絕緣的,所以把電子移入/移出浮柵需要特殊的方法。

          其中一種方法是通過(guò)在MOSFET的源漏極之間產(chǎn)生較大的電流,使MOSFET溝道充滿大量的高能電子。在這些?熱?電子中,有些電子的能量十分高,足以跨過(guò)溝道之間的勢(shì)壘進(jìn)入浮柵。當(dāng)源漏極之間的大電流消失時(shí),這些電子仍然陷在浮柵內(nèi)。這就是給EPROM和閃存的存儲(chǔ)單元編程所采用的方法。這種技術(shù)叫做溝道熱電子(CHE)注射,通過(guò)這種技術(shù),可以給浮柵加載電荷,但是不能釋放電荷。EPROM是采用給整個(gè)存儲(chǔ)陣列覆蓋紫外線的方法給浮柵放電,高能量紫外線穿透芯片結(jié)構(gòu),把能量傳給被捕獲的電子,使他們能夠從浮柵內(nèi)逃逸出來(lái)。這是一種簡(jiǎn)單而有效的擦除方法,同時(shí)證明過(guò)擦除,即在浮柵放電結(jié)束后繼續(xù)給芯片通紫外線,不會(huì)損壞芯片。

          第二種將電荷移入浮柵內(nèi)的方法是利用叫做隧穿的量子力學(xué)效應(yīng):通過(guò)在MOSFET控制柵與源極或漏極之間施加足以使電子隧穿氧化硅絕緣層進(jìn)入源極的電壓,從浮柵中取出電子。在一定時(shí)間內(nèi)隧穿氧化硅絕緣層的電子數(shù)量取決于氧化層的厚度和所通電壓的大小。為滿足實(shí)際電壓值和擦除時(shí)間的限制條件,絕緣層必須非常薄,通常厚度為7nm (70 Angstroms)。

          EEPROM存儲(chǔ)器采用量子隧穿技術(shù),根據(jù)所通電壓的極性給浮柵充電和放電。因此,我們可以把閃存視為一個(gè)像EPROM一樣編程、像EEPROM一樣擦除的存儲(chǔ)器,不過(guò),并不是把EEPROM擦除機(jī)制移植到EPROM上那么簡(jiǎn)單。

          隔離浮柵與源極的氧化層的厚度是EPROM與其它兩個(gè)工藝之間最大的差別。在一個(gè)EPROM內(nèi),絕緣層厚度通常為 20-25nm,但是這個(gè)絕緣層太厚了,利用一個(gè)實(shí)際電壓,以可接受的速率,是無(wú)法隧穿這個(gè)絕緣層的。閃存器件要求隧穿氧化層厚度大約10nm,氧化層的質(zhì)量對(duì)閃存的性能和可靠性影響很大。這是只有很少的半導(dǎo)體廠商掌握原因之一,能夠整合閃存技術(shù)與主流的CMOS工藝,制造內(nèi)置閃存的微控制器的產(chǎn)品的廠商就更少了。

          多位單元技術(shù)

          傳統(tǒng)上,浮柵機(jī)制用于存儲(chǔ)一個(gè)單一的數(shù)據(jù)位,這種數(shù)據(jù)需通過(guò)對(duì)比MOSFET閾壓和參考電壓來(lái)讀取。但是,有了更加先進(jìn)的讀寫技術(shù),可以區(qū)分兩個(gè)以上的浮柵電荷狀態(tài),因此可以在一個(gè)浮柵上存儲(chǔ)兩個(gè)以上的數(shù)據(jù)位。這是一個(gè)重大的技術(shù)突破,對(duì)于給定的單元尺寸,每個(gè)單元存儲(chǔ)兩個(gè)數(shù)據(jù)位相當(dāng)于把存儲(chǔ)容量提高了一倍。ST世界上僅有的幾家能夠提供多位單元架構(gòu)的閃存芯片廠商之一。

          NAND與 NOR對(duì)比

          雖然所有閃存都使用相同的基本存儲(chǔ)單元,但是,在整個(gè)存儲(chǔ)陣列內(nèi),有多種方法將存儲(chǔ)單元連接在一起。NOR和NAND是其中兩個(gè)最重要的架構(gòu),這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)自傳統(tǒng)的組合邏輯電路,指示了存儲(chǔ)陣列的拓?fù)?,以及讀寫每個(gè)單元的存取方式。最初,這兩個(gè)在原理上存在差別的架構(gòu)之間有一個(gè)基本區(qū)別,讀取速度快是NOR器件的固有特性,而存儲(chǔ)密度高是NAND閃存的特長(zhǎng)(因?yàn)镹AND單元比NOR單元小大約40%)。ST是按照存儲(chǔ)密度給這兩個(gè)架構(gòu)定位::對(duì)于1 Gbit 以及以上的應(yīng)用,NAND閃存目前被認(rèn)為是最具成本效益的解決方案。對(duì)于存儲(chǔ)密度1 Gbit以下的應(yīng)用,還要根據(jù)應(yīng)用需求考慮以下的參數(shù),包括伴隨RAM的存儲(chǔ)容量和編程和讀取速度。


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