（电路与系统专业论文）新型ctm存储电路的设计与实现.pdf

摘要 随着数字存储技术在移动通讯、数据终端、多媒体、及消费类电子等领域得 广泛应用，f l a s h 存储器成为s o c 中一个重要的角色，并在行业中已经占据了不 可替代的地位。然而，随着工艺技术的不断提高，及人们对产品性能的要求越来 越高，传统浮栅存储器受到多方面的限制不能满足人们的需求，研发下一代快闪 存储器电荷俘获型存储器( c h a r g et r a p p i n gm e m o r y , c t m ) 成为一种必然的 趋势。由于c t m 技术在我国还处于发展初期，对于电荷俘获技术的研究和嵌入 式系统的开发具有很高的科学和经济价值。 论文根据电荷俘获型存储单元的操作特性及n u m o n y x的数_ 6 5 n m3 v2 g b i t 据表，来设计容量为1 g b i t s 的n o r 型的存储器的系统架构。重点是设计适合 1 g b i t sc t m 存储器的高性能的读取通道，并对灵敏放大器，电荷泵系统的产生 和管理，电平切换开关及带隙基准等相关电路进行设计。最后，论文根据s m i c 的6 5 n m 下的工艺对c t m 存储阵列和外围电路进行版图的设计，并提出在布局 布线中应该要注意的问题及解决方法。 本文基于s m i c 的9 0 n ms p i c em o d e l 来设计嵌入式c t m 存储系统。对于新型结 构的灵敏放大器，模拟仿真的结果显示最坏的情况下感应时间只有4 5 n s ，通常 情况下感应时间都是不超过i n s 。对于1 g b i t s 大容量的系统该要求具有编程、读取、 块擦除以及软编程等功能的同时，系统还需要满足读取时间要求小于l o o n s ，编 程时间小于5 “s ，块擦除时间小于l o o m s 。 关键字：嵌入式c t m 存储系统；灵敏放大器；高压系统；带隙基准电路 a b s t r a c t w i t l ld e v e l o p m e n to ft h e d i g i t a lt e c h n o l o g yw i l ea p p l i e d i nt h em o b i l e c o m m u n i c a t i o n , d a t at e r m i n a l s ，m u l t i m e d i aa n do d n s u m e l e l e c t r o n i c s ，f l a s h m e m o r i e sh a v ep l a ya ni m p o r t a n tp a r ti ns o c ，a n dh o l das i g n i f i c a n tp o s i t i o ni n s e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y h o w e v e r , a st e c h n o l o g yc o n t i n u e st oi m p r o v e , a n dp e o p l ea l e i n c r e a s i n g l yd e m a n d i n gp r o d u c th i g hp e r f o r m a n c e , t h et r a d i t i o n a lf l o a t i n gg a t e m e m o r yi sr e s t r i c ti ns o m ea s p e c t sl e a dt oi n e v i t a b i l i t yo fd e v e l o p i n gc h a r g et r a p p i n g m e m o r yo ft h en e x tg e n e r a t i o n s i n c ec t mt e c h n o l o g yi nc h i n ai ss t i l li nt h ee a r l y s t a g e so fd e v e l o p m e n t , t h e r e f o r e , t h e r ei sg r e a ts c i e n t i f i ca n de c o n o m i cv a l u et od o m o r er e s e a r c h e so nc h a r g et r a p p i n gt e c h n o l o g ya n de m b e d d e ds y s t e m s a c c o r d i n gt o t h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec h a r g et r a p p i n gc e l l ，a n d r e f e r r i n gt ot h ed a t a s h e e to fn u m o n y x6 5 n m3 眨2 g b i t , t h ec a p a c i t yo f1g b i t sn o r s t r u c t u r eo ff l a s hm e m o r ys y s t e ma r c h i t e c t u r ei sp r o p o s e d i na d d i t i o n , t h eh i g h p e r f o r m a n c er e a dp a t ht od e s i g nf o r1g b i t sc h a r g et r a p p i n gm e m o r y f u r t h e r m o r e ， d e s i g na n do p t i m i z et h e 8 e 1 1 8 ea m p l i f e r , c h a r g ep u m ps y s t e mg e n e r a t i o na n d m a n a g e m e n tm o d u l e ，l e v e ls h i f t e ra n db a n d g a pr e f e r e n c e , a n do t h e rr e l a t e dc i r c u i t f i n a l l y , b a s e do ns m i c s6 5 r i mp r o c e s s ，t h el a y o u to ft h ec h a r g et r a p p i n gm e m o r y a r r a ya r c h i t e c t u r ea n dp e r i p h e r a lc i r c u i ti sg i v e n ；l a y o u tp r o b l e m se n c o u n t e r e dd u r i n g l a y o u th a v eb e e nr e s e a r c h e d b a s e do ns m i c9 0 n m s p i c em o d e lt od e s i g nt h i se m b e d d e dc t mm e m o r y f o r t h en e ws t r u c t u r eo ft h es e n s ea m p l i f i e r , t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es e n s e t i m eo ft h en e ws t r u c t u r eo fs e n s ea m p l i f e ri s4 5 n si nt h ew o r s tc a s e ；i ng e n e r a l ，t h e s e i i s et i m ei sl e s st h a nln s w i t ht h ef u n c t i o no fp r o g r a m m e ，r e a d ，e r a s eb ys e c t o ra n d s o f tp r o g r a m m e ，r e q u i r et h es y s t e m sa o c e s st i m ep r o g r a m m i n gt i m ea n ds e c t o r e r a s i n gt i m ef o rt h i ss y s t e m i sl e s st h a n10 0 n s ，5 肛sa n dlo o m s k e y w o r d s ：e m b e d d e dc t ms t o r a g es y s t e m ，s e n s ea m p l i f i e r , h i g hv o l t a g es y s t e m ， b a n d g a p r e f e r e n c ec i r c u i t i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 非挥发存储器的现状与发展趋势 自从步入信息时代以后，数字信息存储技术随着集成电路技术的前进而蓬勃 快速发展，数字存储技术带来的成果为人们的生活提供巨大的生活变化。以 d r a m 、s r a m 及f l a s h 闪存为典型的半导体存储器在移动通讯、数据终端、多 媒体、及消费类电子等领域随处可见，其重要性不言而喻。 半导体存储器技术经过半个多世纪的发展，世界各国的科学家们已经研制出 多种多样的半导体存储器，如图1 1 所示，其大致可以归为两种分类。第一类是 包括s r a m 和d r a m 的挥发型存储器，挥发型存储器在失去电荷以后，存储器 中的信息内容会消失，因此挥发型存储器通常工作在频率较高的环境下来提供电 压信号；第二类是非挥发型存储器，非挥发型存储器与挥发型存储器最大的区别 也是最大的优点就是其在失去可以提供的电压时，存储器中的信号内容依然可以 完好无损的存在，这个特别的性能特点吸引了遍布全球的科学家们对其研究【l 】。 图1 1 存储器分类示意图 掩膜只读存储器( m a s kr o m ) 是首先出现的非挥发存储器，后来经过科学 家们不懈的努力又研发出了可擦除可编程只读存储器( e p r o m ) 、电可擦除可编 新型c t m 存储电路的设计与实现 程只读存储器( e e p r o m ) ，到现在已经研发出各类多样的按扇区擦除、按位编 程的快闪存储科2 】( f l a s hm e m o r y ) 。快闪存储器具有制作工艺简单、集成度高 和价格低廉等一系列优点，使其于2 0 世纪8 0 年代末在人类推动的作用下得到不 可思议的发展。目前出现的各种快闪存储结构都是基于源极擦除的f l a s h 叠栅结 构和e t o x 结构【3 】发展演变出来的，这两种结构为快闪存储器的发展奠定了器件 结构基础。 步入2 l 世纪之后，随着工艺技术的不断进步和工艺尺寸不断缩小，人们为 了解决传统浮栅型f l a s h 存储器受到自身的技术瓶颈不能再满足更高要求的工艺 结点的技术问题，开始研发下一代存储器，现在出现的有新型材料做成的电荷俘 获存储器( c 1 m ) 、铁电随机存储器( f e r a m ) 、分子存储器( m o l e c u l a rm e m o r y ) 、 和聚合物存储器( p o l y m e rm e m o r y ) 等。 通过一些调研机构对全球芯片市场产值的调查，2 0 1 0 年的全球芯片的总收入 比2 0 0 9 年增长了2 1 5 ，总收入将近两千八百亿美元。而各种p c 机上的芯片和 存储器是半导体行业的收入的主要来源，如图1 2 显示了近几年来存储器在半导 体行业中的比重。 2 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 8 2 0 0 92 0 1 0 图1 2 半导体存储器在i c 产业中所占的市场比例 f l a s h 存储器具有无法比拟的优越性，被广泛地用在u 盘、手机、数码相机、 m p 3 等嵌入式系统产品当中，使f l a s h 存储器成为一支发展最为迅速的队伍。目 前，半导体存储器中有4 0 从上都被f l a s h 存储器占据。图1 3 给出了每年的f l a s h 市场产值的预测报告结果【4 1 ，从图中可以看出2 0 0 7 年以前f l a s h 存储器的市场随 2 第l 章绪论 着科技的发展，产值得到了迅猛增长：2 0 0 8 年的市场产值因经济危机爆发而略 微降低，之后随着经济复苏，f l a s h 存储器的产值又开始稳步上升，这表明快闪 存储器在半导体存储器市场占据根深地步的地位。 图1 3f l a s h 的市场产值示意图 快闪存储器依据存储原理的不同分为传统的浮栅型和电荷俘获型两类。在 1 9 6 7 f l 了s s z e 与d k a h n g 年提出的m i m i s 结构【5 】是浮栅型存储器最早的结构。通过 注入或者拉出多晶硅浮栅层中电子来改变其中存储的电荷量的多少，达到改变阈 值电压从而来实现浮栅器件的编程和擦除操作。随着工艺技术的不断进步，传统 的浮栅存储器遇到了各种瓶颈的制约。首先，由于氧化层中的直接隧穿效应【6 7 l 和应力导致的漏甘8 9 】的制约，无法使隧穿氧化层的厚度小于8 n m 。同时，由于受 到漏电和工艺等方面的制约，使o n o 介质层的厚度最小只有1 4 n m 。隧穿氧化层 和o n o 介质层厚度制约f l a s h 存储单元的尺寸不能随着工艺尺寸缩小也缩小。其 次，f l a s h 存储单元工艺需要和外围高低压c m o s t 艺集成，而存储器单元工艺中 隧穿层工艺、o n o 生长工艺和叠栅刻蚀工艺等使系统集成的变得更为复杂，工 艺成本增加成品率反而下降。最后，生产厂商已经开始用9 0 n m 以下的工艺来设 计存储外围电路时，然而用于存储操作所需的高压却没有降低，高压电路的设计 成为难点，大多靠增加面积来获得电路的工作，这会使成本大大增加。 为了应对传统浮栅技术无法满足6 5 n m 以下技术节点要求而遭遇到困难，各国 开始研发各种新型存储器。其中，最为引人注目的是通过引入新材料、新结构， 在现有闪存技术的基础上出现了电荷俘获型存储器( c t m ：c h a r g et r a p p i n g 3 弱 加 = 2 伯 5 o 新型c i m 存储电路的设计与实现 m o m o 巧) 0 0 。a 凡珊咨稍人在1 9 6 7 年提出a m 技术以后，又经历了m n o s 到s n o s m o n o s 再到s o n o s 的发展历程，现在已进入到采用高k 材料作为隧穿 层、俘获层、控制栅介质层的研究阶段。电荷俘获存储器是一种使用陷阱或量子 阱材料作为电荷存储介质来代替浮栅型快闪存储器中的浮栅的非挥发性半导体 存储器( n v s m ) ，其电荷存储在一层富含电荷陷阱的绝缘层内。通过对电荷俘 获型器件的源极、漏极和栅极施加适当的电压，注入或拉出俘获层中的电荷，来 变器件的阈值电压，从而实现存储逻辑“l 或“0 一。如图1 4 示意了浮栅型和电 荷俘获型器的结构，表1 1 总结了浮栅型器件与c t m 器件各项性能比较。 图1 4 浮栅型快闪存储器( 左) 和电荷俘获型存储器( 右) 示意图 表1 1 浮栅型f l a s h 和c t m 的技术特点和现有水平比较 技术特点浮栅型f l a s h 技术电荷俘获型存储器技术 器件结构双层多晶单层多晶 存储介质导电型浮栅俘获材料的分离式电荷陷阱 隧穿氧化层的减薄 俘获介质层的持续缩小 主要技术限制浮栅间耦合效应 新材料研发 电荷泄漏 操作电压 1 2 v 1 8 v州| 1 4 v 单芯片容量2 ( 弛i t 3 2 g b i t 6 4 g b i t 工艺复杂度及兼容性复杂度高、兼容性较差复杂度低、兼容性好 c t m 器件具有极少量电子操作、器件尺寸小、工艺简单、编程速度快、功 耗小、电压低、易于c m o s i 艺兼容且存储新材料技术相对成熟等优点，被认为 是下一代快闪存储器技术发展的主要候选技术和重点研发方向。具有较浮栅型快 闪存储器远为简单的工艺，更容易与标准c m o s i 艺兼容，尤其适宜于在嵌入式 4 第l 章绪论 快闪存储器中应用，使得c t m 存储器技术在嵌入式s o c 应用中显示出比浮栅型 快闪存储器技术更具竞争力和优越性。 ， 1 2 嵌入式f l a s h 存储器的发展现状和面临的挑战 工艺技术的不断发展，使芯片的集成度越来越高，促使人类快速步入到s o c ( s y s t e mo n ac h i p ) 时代【1 卜1 4 1 。以前人们主要是通过将不同的芯片放在不同的电 路板上，然后通过不同的组合成一个更为复杂的系统。这种芯片之间的信号传递 要通过输入输出引脚( i o ) ，增加电路信号的响应时间，系统的功耗和封装成本， 不适合存储器发展的理念。现在是通过s o c 设计方法把各种电路模块集中设计 在一个芯片上形成专用的嵌入式存储器，可以获得比单个芯片组合在一起的性能 高出很多，这种方法不仅降低了系统的面积和功耗，而且具有更高的可靠性和工 艺兼容性等特点 1 s d 6 。 根据专业人士对s o c 系统中嵌入式存储器所占的面积比例的的统计，如图 1 5 所示，2 0 0 2 年嵌入式存储器只占据芯片一半的面积，而到2 0 0 8 年，嵌入式 存储器的面积已经占据了8 3 的s o c 系统面积，而在现今的s o c 芯片中，嵌入 式存储器已经占据了9 0 的面积，根据推测到2 0 1 4 年，嵌入式存储器的面积将 达到9 4 以上。这成功表明s o c 设计方法提高嵌入式存储器利用率。 圈a r e ao fl o g i c圄a r e ao fm e m o r y 1 嘲2 0 0 2 2 0 0 , 5 2 0 0 8 2 0 112 0 1 4 图1 5 嵌入式存储器在s o c 系统中所占面积的比例 目前，小巧方便的f l a s h 移动存储器已经不再是遥不可及的高端产品，现在 已经放下了身价走进了普通老百姓的生活当中，4 , nu 盘和智能卡，大到汽车 重 o 8 6 4 2 1 o o o o 新型c t m 存储电路的设计与实现 电子等领域。随着人们的生活水平的提高，对存储产品的需求也越来越多，存储 产品的消费带动嵌入式f l a s h 的市场产值以超过2 0 的速度高速增长。依照市场 调研公司i n - s t a t m d r 的最新数据，显示快闪存储器的市场产值从0 1 年到0 5 年 之间每年以1 2 的增长率增长，2 0 0 7 年的市场产值超过了3 6 亿美元，而在此以 后的时间里嵌入式f l a s h 以1 2 6 的年平均成长率攀升，如图1 6 所示。 2 0 0 12 0 0 22 0 0 3 2 0 0 4 2 0 0 5 2 0 0 62 0 0 72 0 0 82 0 2 0 1 0 s o u r c e ：w s t $ ，i n - s t a t m d r 图1 6 嵌入式f l a s h 的市场产值 目前，国内的一些公司正在自主研发嵌入式产品和开拓市场，已经取得了初 步理想的状态。其中，中兴和华为等著名企业运用在手机上的产品已经得到通信 运营商的认可，并已经大量生产。另外还一有部分公司研发的高性能的c p u 卡芯 片、3 g 上网卡等也开始广泛出现在人们的生活领域当中。但是这些嵌入式产品 都是基于采用传统浮栅技术开发的，并且设计出来的存储容量相对国外来说非常 的小。 浮栅型存储器良好的可靠性、可重复利用性及成熟的工艺技术使其广泛应用 在各个领域当中。但是随着工艺尺寸的进一步缩小，传统的f l a s h 技术面临着串 扰( u - t o s st a l k ) ，编程电压难以降低，数据写入慢，写数据时需要高电压因而功 耗大，需要特殊的电压提升结构增加了电路和设计的复杂度等一系列难题。然而 嵌入式非挥发存储器朝着高性能、高密度、高可靠、低成本的方向发展，这迫切 需要开发具有工艺可拓展性的新型非挥发存储技术。 目前世界各国人们正在研究电荷俘获型技术这种新的解决方案，主要是采用 富含电荷陷阱的氮化硅或其它高介电常数介质( 高k 介质) 层代替传统s i 0 2 作 翟 瑚 枷 湖 枷 姗 跚 伽 。 第1 章绪论 为隧穿介质层，然后针对这类新型电荷俘获型的存储单元开发出新一代嵌入式 c t m 存储技术【1 7 l 。一些国际著名的存储器制造商s a i f u n ，a m d ，s o n y ，s u m s u n g ， m a c r o n i x 和m o t o r o l a 等对c t m 技术进行了大量的研究，已经研制出3 2 g b i t 的 c t m 试验芯片。目前c t m 在国际上正处于产业化的前期，但如何利用材料的 优越性能和潜力开发高性能超高密度存储器件和电路也面临诸多挑战。 首先，c t m 存储技术的引入使得编程和擦除后的阈值窗口会发生变化，而 且存储容量却在不断地扩大现在已经达到g b 以上，在读取方面，灵敏放大器的 速度和可靠性也接受着巨大的挑战。其次，c t m 存储器的编程和擦除操作都需 要高压，但是存储器用到的高压种类不同就意味着芯片内部的电泵电路种类也就 不同。电荷泵在存储芯片当中所占的面积又非常大，功耗也很大，在新工艺下电 荷泵也面临着诸多的问题需要解决【培。2 5 1 。例如，c r m 器件可靠性受到电荷纵向 泄漏和横向再分布等多方面因素影响，这将导致电荷泵系统的工作效率比传统嵌 入式浮栅存储器要低许多、面积也会大许多。此外，由于高压管的尺寸远大于存 储单元的尺寸，使得布局布线极其复杂；工艺尺寸的缩小，使得信号线之间的间 距也缩小，造成信号之间的干扰也变大了。为解决c t m 技术中阈值窗口的改变 和存储阵列当中串扰的问题对读取操作带来的不利影响，设计新型灵敏放大器电 路，并对其参考电路进行了研究和改进；通过对现在有的一些参数来估算存储阵 列当中的一些耦合电容搭建系统模型，以及完成整个存储器电路的构建。 综上所述，新型嵌入式c t m 存储技术在解决传统嵌入式浮栅存储器性能的 同时也有尚未解决的问题，而且国内c t m 存储技术的研究与应用开发比国外相 对滞后，目前仍然缺乏成熟的集成工艺。因此我们借助s m i c6 5 n m 流水生产线， 开展小尺寸c t m 器件集成工艺的开发和研究，尝试开发国内自主知识产权的 c t m 技术，并完成嵌入式存储器电路具有科研价值和现实意义，而且高性能非 挥发性存储器也是集成系统必不可少的重要组成部分，开展新型存储技术的研 究，必将有广泛的市场前景。 1 3 本论文的任务与内容 我国人民对数字存储产品的需求量增大，同时此项技术主要还是被国外的公 司所垄断，因此开发出具有我国自主知识产权的f l a s h 技术迫在眉睫。本论文以 7 新型c t m 存储电路的设计与实现 中国科学院微电子研究所研发的c t m 存储单元为阵列器件基础，结合上海中芯 国际集成电路制造公司( s 蹦c ) 1 2 寸6 5 n m 工艺下f l a s h 产品线，共同开展新 型c t m 存储的研究、并在高密度存储器生产研发领域掌握核心技术、取得自主 知识产权。 本论文中的主要内容是针对基于c t m 存储技术的芯片系统设计来进行研 究，特别是在大容量下电荷俘获存储器解决读写速度、功耗及可靠性之间的矛盾。 论文的主要内容如下： 第1 章，绪论。首先介绍半导体存储器的发展历程和f l a s h 在整个市场当中 产值的发展趋势，然后阐述了传统浮栅型存储器在现有的工艺条件下所面临的问 题，并在此基础上引出下一代新型非挥发存储器电荷俘获型存储器，总结了 将c t m 存储技术相对传统f l a s h 存储技术所带来的优越性。 第2 章，新型c t m 存储系统特性的研究。首先对c t m 存储单元的存储特性 进行简单介绍。其次，给出新型c t m 存储单元的编程、擦除和读取操作方法。 最后，按照s m i c 公司提供的数据给出了存储单元的操作表和适合本次大容量的 存储器的阵列架构。 第3 章，新型c t m 存储系统及电路设计。首先对整个系统进行简单阐述和 功能说明。其次，对整个系统进行模块化的划分和给出地址分配方案。最后，对 系统中关键模块主要包括灵敏放大器，电平切换电路和电荷泵等进行分析和设 计，并给出相应的电路仿真结果，重点介绍本方中提出新架构的灵敏放大器。 第4 章，新型c t m 版图设计与实现。主要介绍嵌入式c t m 存储芯片的版图 布局布线方案，并给出相应电路模块的实际版图。 第5 章，结论。对整个论文的工作进行总结，并给出了下一步需要面临的工 作内容。 第2 章新型c t m 存储系统特性的研究 第2 章新型c t m 系统特性的研究 2 1 本章引论 在第l 章中，我们提出下一代非挥发存储器技术中c t m 存储技术是一个重 点发展方向，由于技术发展不完善导致在应用时也遇到了技术难点。在本章当中， 我们将主要介绍c t m 存储器系统的存储特性。首先描述c t m 存储器件的存储 特性，然后介绍新型c t m 存储单元的编程、擦除、读取操作机理。其次，介绍 常见的n a n d 和n o r 型两种阵列架构，以及本文中存储阵列所采用的阵列结构。 2 2 新型c t m 存储单元的存储特性 c t m 技术的核心是使用陷阱或量子阱材料作为电荷存储介质的非挥发性半 导体存储器。c t m 器件主要包括隧穿介质层、电荷俘获层、控制栅介质层和控 制栅。由于俘获层中电子的改变，使器件的阈值电压发生漂移，从而产生两种存 储状态。 近年来，一些国际知名研究机构对电荷俘获型存储技术进行了大量的研究并 取得了一定的成果。a m d 公司在2 0 0 3 年首次推出基于s o n o s 技术的c t m 存 储产品，2 0 0 5 年又推出0 1 l t t m 的5 1 2 m b i t 存储器产品。同时，m o t o r o l a 公司也 开始了9 0 r i m 嵌入式应用的c t m 存储器技术的研发。由于受可靠性限制，存储 单元的操作电压仍无法进一步降低。因此新材料的c t m 存储器成为热点研究领 域，主要的新型材料有金属栅和高k 介质材料及运用能带控制工程的新型电荷俘 获材料，这样可以有效降低编程擦除电压，提高编程擦除速度、集成度和可靠 性等。s a m s u n g 公司在2 0 0 3 年发布的t a n o s 单元结构。这种单元结构是在传 统s o n o s 结构的基础上，使用高k 的a 1 2 0 3 做控制层和t a n 做相应的金属栅， 在2 0 0 6 年采用4 0 n m 工艺成功制成了基于该结构的3 2 g b i t 的闪存样品产品。 2 2 1 新型c t m 存储单元的基本原理 c t m 存储器件和浮栅存储器件不仅在结构存在的差别，而且在存储介质和 9 新型c t m 存储电路的设计与实现 存储机理上也是不同的。这使c t m 存储器件和浮栅存储器件在物理操作机制上 存在着巨大的差别。c t m 存储器件多采用俘获层中富含硅氧化硅存储层等材料 作为存储电荷的载体，而传统浮栅存储器件多采用晶硅等导电材料来作为存储电 荷的载体。只有对原有的浮栅存储器件的操作机制加以改进才可以运用到新型 c t m 存储器件中。 目前用于的物理机制主要有沟道热电子注入c h e ( c h a n n e lh o te l e c t r o n i n j e c t i o n ) 和f n ( f o w l e r - n o r d h c i m ) 隧穿效应两种【2 3 1 。c h e 是f l a s h 中常用 的一种编程操作方式，其原理是在漏极和栅极上同时加高电压时，沟道中的电子 在足够大的横向电场的作用下，加速获得很高的速度和动能。沟道中的热电子在 漏极附近发生碰撞从而电离出电子和空穴，衬底吸收空穴形成衬底电流，而其中 一部分能量较高的电子在栅极纵向电场的吸引下跃过氧化层中的电子势垒形成 热电子注入电流。由于沟道热电子注入效应的操作原理决定了，这种方法无法用 来对器件进行擦除操作。另外一种物理机制是f n 隧穿效应。这种效应首次由 f o w l e r 和n o r d h e i m 提出，f n 隧穿可以完成f l a s h 的擦除操作，只要在控制栅和 衬底之间加一个电压形成一个足够大的电场，电子将被拉出俘获层，到达衬底就 可以改变器件的阈值电压。 值得注意的地方是，f n 隧穿效应不仅可以用于进行擦除操作，还可以用来 编程，但c h e 方式只能用于编程，无法用于擦除。但是f n 隧穿效应的编程、 擦除时间比较长，以及需要的电压较高，会对外围电路的设计造成一定的困难。 沟道热电子注入模式下的工作电压较低对外围电路设计的要求可以降低，而且 c h e 编程的速度快，只要1 峪1 m s 。同时可以适当的增加器件中的氧化层厚度， 从而提高器件的性能。 由于本文设计的新型c t m 存储器系统主要是适用于市场化的应用要求，开 发具有低编程电压、高编程速度、低功耗、高可靠性、单元尺寸小、工艺简单和 易于s c a l i n g - d o w n 特性的新型高性能快闪存贮器结构成为新一代快闪存储器。虽 然c h e 编程时会产生很大的电流，造成较大的功耗，不适合现在的低功耗的设 计理念要求，但是在现有水平还不成熟的情况下，保证器件的可靠性就成为首要 条件。因此，综合考虑，本文设计的嵌入式c t m 存储器的编程方式采用沟道热 电子c h e 和f n 隧穿操作 1 0 第2 章新型c t m 存储系统特性的研究 2 2 2 新型c t m 存储单元的编程和擦除操作 本文设计的新型c t m 存储编程操作机制采用沟道热电子注入( c h e ) 进行， c t m 存储单元c h e 编程操作，如图2 1 ( a ) 所示。编程操作时，在存储单元的控 制栅加上9 5 v 的高压，漏极加上4 2 v 的高压，源极和衬底均接地。可以看出将 在源漏两端产生4 2 v 的电场，电子在沟道横向电场作用下不断加速获得动能， 并在纵向9 5 v 的电势吸引下，电子穿越隧穿层，被俘获材料中的陷阱能级束缚 而存储下来，导致器件的阈值电压将升高，即器件所存储的数据“0 。 新型c t mf l a s h 的擦除方式采用沟道f n 隧穿，c t m 存储单元f n 擦除操作， 如图2 1 ( b ) 所示。擦除操作时，控制栅加上9 5 v 的负高压，漏极浮空，源极以 及衬底加上7 7 v 的正高压。可以看出在纵向高达1 7 2 v 的强大的电场作用下， 俘获层中的电子直接隧穿过隧穿层返回到沟道当中。导致器件的阈值电压将降 低，即器件所存储的数据为“l 。 95v95 v 0 v ( a ) 7 7 v ( b ) 图2 1 ( a ) c h e 编程操作和( b ) f n 擦除操作示意图 2 2 3 新型c t m 存储单元的读取操作 n g c t m 存储单元经过编程和擦除操作时，阈值窗口将会发生变化，如图2 2 所 示，存储单元擦除后的阈值电压为v t 如( 一般大于o ) ，存储单元编程后的阈值 电压为v t 咖。为了判断存储单元中的内容是“0 ”还是“1 g j l t 可以通过选中存储 单元后在控制栅加上相应的电压来读取存储单元中的电流值的大小进行辨别。例 如，为验证擦除过后的器件存储数据为“l ，则在控制栅上加上读取电压v 瑚d ， 存储单元会有固定的沟道电流i d s 通过，反之则存储的数据为“0 。 新型c t m 存储电路的设计与实现 k i 如 。1 。 l 如 。0 o v t h e v r e a ( 1v 矗，p v g 图2 2 阈值窗口示意图 阈值窗口的大小是影响读取操作最重要的因素，c t m 存储器阈值电压窗口 由于外界不确定因素的影响会造成存储单元的阈值窗口的改变。因此为了能读取 编程和擦除过后的存储器件中的内容，必须要设计出高性能的灵敏放大器正确判 断存储内容。在下一章将重点介绍c t m 存储芯片中的读取电路。 图2 3 表示c t m 存储单元的读取操作示意图。读取操作时，控制栅上加5 v 的读取电压，漏极加上1 v 的电压，衬底和源极接地。当存储单元为编程以后的 器件，由于阈值电压的升高，控制栅加上读取电压v r e a d ，管子是截止状态，沟 道电流趋近于0 ；当存储单元为擦除以后的器件，由于阈值电压的减小，控制栅 加上读取电压v 啪d ，管子是导通状态，读取通过管子的电流判断数据为“1 。 5 v 0 v 图2 3c t m 存储器单元读取操作示意图 1 2 第2 章新型c t m 存储系统特性的研究 2 3 存储单元的阵列架构 由于工艺技术的不断提高，存储容量是越来越大，面积反而越来越小。在通 过减小存储器件的面积来减小整个系统的面积变得越来越困难的情况下，还有一 种通过改变阵列架构的方法来缩小面积，实现更高的集成度。根据存储单元连接 方式的不同，有两种常见的结构n a n d 型【3 4 1 和n o r 型【3 5 1 ，如图2 4 所示。 ( a ) n a n d b i db ub l 2 b l n 广 t r 广 。 广 ，i dr |r |ir j 1。l l 一 。1。l l w u。jj 。j j 、l 1 、 。、 + - 一+ - “ 。r - 一 w u。r j。j。r j 1 1l l。l l 、m jjjj 。 、 、 。、 。 - l 卜 - 一- 一 w k l j。r 】。r j 。1 。l l 。1 1 、l njjjj 。l 1。、s l j l 。、 i 一i 一 i 一 ( b ) n o r 图2 4n a n d 和n o r 型的阵列结构示意图 n a n df l a s h 属于串联架构，通过将多个存储单元串联，然后连接到位线和 源线，这种连接方式减小单个单元占用的接触孔的面积和源线走线所占用的面 积。n a n d 结构的阵列可以用来大容量的数据存储，比如硬盘、存储卡等 d a t a f l a s h 存储器。与n a n d 型架构集成密度一样高的阵列结构还有n o r 型构 架，它是一种并联结构，存储单元按照每两个单元共用一个接触孔个来进行排列， 占据了比n a n d 型更大的面积，适用于贮存用户程序和数据的工作存储器( c o d e f l a s h ) 和系统集成应用的嵌入式存储器。 一般来说，n a n d 结构的编程和擦除方式都采用f n 方式。虽然n a n d 结构 具有很高的可靠性，但是n a n d 型结构中的存储管的串联，使负载电阻变大， 导致读取速度慢，操作电压高，对外围电路设计的要求也变得更高。n o r 型的 f l a s h 一般采用c h e 编程和f n 擦除。由于n o r 架构的串连电阻较小，具有比 n a n d 结构更高的编程速度和读取速度。 本论文设计的c t m 存储器考虑到市场的应用性和对电路性能的要求，采用 新型c r m 存储电路的设计与实现 了n o r 架构，存储阵列的结构如图2 5 所示。存储单元中每行的n 个存储管的 控制栅连接在一条字线上。在每一列中的m 个存储单元的漏极接到一条位线上。 本文设计的阵列是每个s e c t o r 共用一根源线。 宝 一 皇5 n r * w i 0 i 卜r；耵 l _ ii 百，l 一 ! ：l 卜j! i 卜jl 卜广 i 卜il 卜 ：il 卜 ：o 卜 i 卜 i 一ii 一一一l r 石一1r 苞一i w i 1i 卜 ! - p! ! i 卜 ! i 卜l 卜 h；o h：i 。、：。h。h i 。 一il 一一- i 1 l m i ，。i ，i ，i 卜厂 l 卜厂 。h 。ho h 。1 q - t - - 上l 图2 5c t m 存储器的共源n o r 结构示意图 本文c t m 存储单元在不同操作模式工作状态下的操作表如表2 1 所示。以 下主要介绍编程、擦除和读取三种操作模式下的工作原理。 在编程操作模式下，在选中的的扇区( s e c t o r ) 后，地址相对应的存储管的 控制栅( w l ) 接9 5 v ，位线b l 接4 2 v ，源线( s l ) 和衬底接0 电平，由于栅 极和衬底之间的电势差为9 s v ，从而达到c h e 编程的要求。为了对同一条字线 上其它不编程的存储单元造成干扰，可以使不编程的位线b l 浮空，虽然它们的 衬底和栅极电势差也是9 5 v ，但是源极和漏极两个端口上没有加高压，使电子 不能做到达俘获层中，因此不会被编程。 由于本系统采用块擦除的方式，所以一次性擦除一个s e c t o r 。在擦除操作模 式下，选中的s e c t o r 中所有存储管的控制栅加上9 5 v 的电压，位线浮空，s l 和 衬底接7 7 v ，利用f n 隧穿效应进行块擦除。 在进行读取操作时，在选中的s e c t o r 中，再进行字线译码，选中的存储管控 制栅加上5 v 的电压，位线的上电压利用灵敏放大器的箝位电路使其电压为1 v ， s l 和衬底接0 v 。 1 4 第2 章新型c t m 存储系统特性的研究 表2 1c t m 存储单元操作表 操作存储单元w l ( v ) b l ( v )s l ( v )p w e l l ( v ) 编选中的扇区 a ( 选中) 9 54 2oo 程 b ( 未选中) 9 5 f l 00 c ( 未选中) 0f lo0 d ( 未选中) 04 2oo 未选中的扇区 of lo0 擦选中的扇区 a ( 选中) 9 5f l7 77 7 除 b ( 选中) 9 5f l7 77 7 c ( 选中) 9 5f l7 77 7 d ( 选中) 9 5f l7 77 7 未选中的扇区 of lo0 读选中的扇区 a ( 选中) 510o 取 b ( 未选中) 5f loo c ( 未选中) 0f l0o d ( 未选中) o1o0 未选中的扇区 0 f l o0 软选中的扇区 a ( 选中) 1 24 2oo 编 b ( 未选中) 1 2f loo 程 c ( 未选中) 1 2f loo d ( 选中) 1 24 2o0 未选中的扇区 of loo 编选中的扇区a ( 选中) 7 71o0 程 b ( 未选中) 7 7f l0o 验 c ( 未选中) 0f l00 证 d ( 未选中) oloo 未选中的扇区 of l0o 擦选中的扇区 a ( 选中) 510o 1 5 新型c t m 存储电路的设计与实现 除 b ( 选中) 5f lo0 验 c ( 选中) 5f lo0 证 d ( 选中) 5l oo 未选中的扇区 0f lo0 软选中的扇区a ( 选中) 1 2l0o 编 b ( 未选中) 1 2f lo 0 程 c ( 未选中) of loo 验 d ( 未选中) 0loo 证 未选中的扇区 0 f l00 备注：f l 代表浮空 1 6 第3 章新型c n 讧存储系统及电路设计 第3 章新型c t m 存储系统及电路设计 3 1 本章引论 在第2 章当中，我们主要是介绍了新型c t m 存储系统的存储特性，同时介 绍了存储单元的阵列架构。在本章将介绍本论文中的系统功能，及系统的操作时 序，对整个系统进行划分。然后，描述系统的数据通道和编程擦除通道，并对其 中关键性电路进行设计和仿真。特别详细介绍了译码电路、灵敏放大器，电平切 换电路。最后，介绍用于电荷泵电路。 3 2 系统描述与功能说明 在当今社会，非挥发存储器芯片的容量是越来越大。因此，c t m 存储容量 上选择了1 g b i t s 作为设计目标，同时参考n u m o n y x _ 6 5 n m _ 3 v _ j g b i t 的d a t a s h e e t 来设计嵌入式c t m 存储电路。 3 2 1 存储器系统功能描述及引脚说明 根据芯片系统的应用要求，对本论文设计的芯片系统的功能定义进行简单描 述。嵌入式。考虑到存储阵列当中耦合干扰等因素，我们把1 g b i t s 的c t m 存储 芯片中的存储单元划分为1 6 个b a n k ，每个b a n k 中有3 2 个s e c t o r ，每个s e c t o r 的容量为2 m b i t s ，如图3 1 所示。 为了可以应用到市场当中，本系统的供电方案采用单电源方式。由i o 输入 3 3 v 的电压，再通过电荷泵产生各种操作模式下所需要的高压。同时为了验证 电路功能情况，和防止某些电路模块不工作情况，可以直接用测试引脚来代替其 功能。例如，即可以由电荷泵来产生电压，也可以通过测试台引入外部电源直接 加到p a d 当中，来代替电荷泵的作用。 芯片系统分1 b y t e 和1 w o r d 两种编程方式，同时具有r a n d o mr e a d 和p a g er e a d 两种读取方式以及块擦除等基本功能。在系统设计时，我们要求读取时间要小于 l o o n s 。根据s m i c 提供的数据，规定编程时间小于5 i t s ，块擦除时间小于1 0 0 m s 。 1 7 新型c t m 存储电路的设计与实现 n _ n n n 5 1 2 4 k i _ s e c t o r 31