走進(jìn)閃存技術(shù)
加入技術(shù)交流群
首先，閃存受益于PC機(jī)市場的飛速增長。在PC時代剛剛開始時，易失性存儲器DRAM (動態(tài)隨機(jī)存取存儲器)和SRAM (靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器) 雖然固有數(shù)據(jù)易失性的缺點，但仍然是兩個最重要的存儲器。隨著設(shè)計和工藝技術(shù)的進(jìn)步提高了閃存技術(shù)的密度和可用性，作為對現(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上的推廣應(yīng)用。
因為功耗低和非易失性的優(yōu)點，閃存被證明是最適合便攜應(yīng)用發(fā)展的非易失性存儲器，因此加快了移動時代的到來。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，完整的存儲解決方案開始從硬盤（HDD）開始向固態(tài)存儲器轉(zhuǎn)換，從而推動了今天的移動多媒體應(yīng)用的發(fā)展。
技術(shù)說明:
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)時卻采用不同的方法。無論是哪一種情況，基本存儲單元都是由一個雙柵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)過的通道)之間。
在一個標(biāo)準(zhǔn)MOSFET內(nèi)，控制溝道的電阻只使用一個柵極控制電流：通過在柵極上施加電壓，可以控制從源極流到漏極的電流的大小。非易失性存儲器中的MOSFET還有第二個柵極，一個二氧化硅絕緣層將這個柵極完全包圍起來，即第二個柵極與晶體管的其余部分保持絕緣狀態(tài)。因為浮柵到MOSFET溝道的距離非常近，所以，電荷即使很小，對晶體管的電特性的作用也很容易檢測到。通過給控制柵施加適當(dāng)?shù)男盘枺y量晶體管特性的變化，可以確定浮柵上是否存在電荷。因為浮柵與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，足以跨過溝道之間的勢壘進(jìn)入浮柵。當(dāng)源漏極之間的大電流消失時，這些電子仍然陷在浮柵內(nèi)。這就是給EPROM和閃存的存儲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是采用給整個存儲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。這是一種簡單而有效的擦除方法，同時證明過擦除，即在浮柵放電結(jié)束后繼續(xù)給芯片通紫外線，不會損壞芯片。
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。為滿足實際電壓值和擦除時間的限制條件，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像EPROM一樣編程、像EEPROM一樣擦除的存儲器，不過，閃存技術(shù)并不是把EEPROM擦除機(jī)制移植到EPROM上那么簡單。
隔離浮柵與源極的氧化層的厚度是EPROM與其它兩個工藝之間最大的差別。在一個EPROM內(nèi)，絕緣層厚度通常為 20-25nm，但是這個絕緣層太厚了，利用一個實際電壓，以可接受的速率，是無法隧穿這個絕緣層的。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)體廠商掌握閃存技術(shù)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)制用于存儲一個單一的數(shù)據(jù)位，這種數(shù)據(jù)需通過對比MOSFET閾壓和參考電壓來讀取。但是，有了更加先進(jìn)的讀寫技術(shù)，可以區(qū)分兩個以上的浮柵電荷狀態(tài)，因此可以在一個浮柵上存儲兩個以上的數(shù)據(jù)位。這是一個重大的技術(shù)突破，對于給定的單元尺寸，每個單元存儲兩個數(shù)據(jù)位相當(dāng)于把存儲容量提高了一倍。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對比
雖然所有閃存都使用相同的基本存儲單元，但是，在整個存儲陣列內(nèi)，有多種方法將存儲單元連接在一起。NOR和NAND是其中兩個最重要的架構(gòu)，這兩個術(shù)語來自傳統(tǒng)的組合邏輯電路，指示了存儲陣列的拓?fù)?，以及讀寫每個單元的存取方式。最初，這兩個在原理上存在差別的架構(gòu)之間有一個基本區(qū)別，讀取速度快是NOR器件的固有特性，而存儲密度高是NAND閃存的特長（因為NAND單元比NOR單元小大約40％）。ST是按照存儲密度給這兩個架構(gòu)定位：:對于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。對于存儲密度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的存儲容量和編程和讀取速度。
評論