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串行e e p r o m 研究与设计 摘要 众所周知，信息时代与知识经济是当今的一个热门话题，但真正拉开信息 时代帷幕的是1 9 4 7 年b e l l 实验室晶体管的发明：而知识经济的特征产业，人们 一致认为是芯片业与软件业。因此，以芯片设计和制造为核心的微电子产业已 经成为衡量一个国家综合国力的重要标志。 微电子技术的核心是集成电路，m o s 存储器作为集成电路的典型代表产 品，发展异常迅猛。e e p r o m 作为一种重要的m o s 存储器，其作用也不容忽 视。 本文所研究与设计的是一款4 k 串行电可擦除可编程只读存储器 ( e e p r o m ) ，通信方式是1 2 c 串行通信方式，采用的是s m i c0 3 5 t t m 三铝双多 晶双阱c m o s 工艺。该芯片己在s m i c 实施m p w 并一次投片成功。 论文第一章首先介绍了各种半导体存储器，并着重阐述了e e p r o m 的结构 及工作原理；第二章对1 2 c 串行通信方式作了论述；第三章首先介绍了h f l 8 0 1 的总体结构和功能，然后对高压产生模块、相关振荡电路、e e p r o m 读写过程 、施密特触发器和w p 写保护电路作了详细的分析和讨论，最后用s p e e t r e v e r i l o g 仿真器进行了门级仿真，并给出了相关的门级仿真波形图；第四章着重介绍了 用s e 实现h f 2 4 c 0 4l o g i cn e w 模块版图的过程，给出了它与其它手工画的 版图部分接口的方法，并简单介绍了工艺流程以及主要器件p c m 参数。 关键字：e e p r o m ，1 2 c ，电荷泵，门级仿真，s e r e s e a r c ha n d d e s i g n o fas e r i a le e p r o m a b s t r a e t a sw ea l lk n o w , t h ei n f o r m a t i o na g ea n dt h ek n o w l e d g ee c o n o m ya r eh o tt o p i c s t o d a y t h ei n v e n t i o no f t h et r a n s i s t o ra tb e l ll a bi n1 9 4 7m e a n st h et h r e s h o l do ft h e i n f o m l a t i o na g e t h ec h i pi n d u s t r ya n dt h es o f t w a r ei n d u s t r ya r et a k e na st h et y p i c a l i n d u s t r i e so ft h ek n o w l e d g ee c o n o m yf o rg r a n t e d s o 也em i c r o e l e c t r o n i ci n d u s t r y w h i c hf o c u s i n go nc h i pd e s i g n sa n df a b r i c a t i o n sh a sb e c o m et h ei m p o r t a n ts i g nt o m e a s u r et h eo v e r a l ln a t i o n a ls t r e n g t ho f ac o u n t r y , m i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y sk e r n e l i si c m o sm e m o r i e s w h i c ha r et y p i c a li c p r o d u c t s a l s od e v e l o pv e r yr a p i d l y e e p r o m i sa ni m p o r t a n tm o s m e m o r y a n di t s r o l ea l s oc a n th en e 舀c o t e d t h ec h i pr e s e a r c h e di nt h i st h e s i si sa4 ks e r i a l e l e c t r i c a l l y e r a s a b l ea n d p r o g r a m m a b l er e a d - o n l ym e m o r y ( e e p r o m ) ，w h i c ha d o p t s i z c b u sa n ds m i c 0 3 5 9 i nd o u b l ep o l yt h r e em e t a ld o u b l ew j uc m o st e c h n o l o g y t h i sc h i ph a s b e e ni m p l e m e n t e dm p wi ns m i ca n dh a sb e e nm e tw i 廿ls u c c e s sf o rt h ef i r s tt i m e c h a p t e r 1i n t r o d u c e sa l lk i n d so fm o sm e m o r i e s ，a n de s p e c i a l l yd i s c u s s e s e e p r o m ss t r u c t u r ea n do p e r a t i o n a l 口r i n o i p l e c h a p t e r2i n t r o d u c e st h ei z c - b u s c h a p t e r3f i r s ti n o d u c e sh f l 8 0 1 sg e n e r a ls t r u c t u r ea n df u n c t i o n ，t h e na n a l y s e st h e c h a r g ep u m pm o d u l e ，o s c i l l a t o rm o d u l e ，e e p r o m sr e a d a n dw r i t e o p e r a t i o n ， s c h m i t t t r i g g e ra n dw pp r o t e c t i v ec i r c u i t ，a n df i n a l l yi n t r o d u c e st h eg a t es i m u l a t i o n c h a p t e r4m a i n l yi n t r o d u c e sh o w t or e a l i z et h ed i g i t a lm o d d e sl a y o u t 、v i t l ls ea n d h o wt op u tt h em o d u l e sl a y o u tw i t ht h eo t h e rl a y o u t st o g e t h e r ；i ta l s oi n t r o d u c e st h e p r o c e s sf l o wa n d m a i nd e v i c e sp c m p a r a m e t e r k e yw o r d s ：e e p r o m ，| 2 c ，c h a r g ep u m p ，g a t es i m u l a t i o n ，s e 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席：落；也也 委员： 导师： 髻眇识 、屠一1 馨 插图清单 图1 1p 沟f 枷o s 管4 图1 2n 沟s i m o s 管5 图1 3s i m o s 矩阵示意图5 图1 - 4 浮栅晶体管的横截面5 图1 5f l a s h 存储单元结构6 图1 6 耗尽负载六管静态电路7 图i 一7c m o s 静态存储单元7 图1 8 电阻负载静态存储单元8 图1 9 动态单管单元。9 图1 1 0 e e p r o m 存储单元1 0 图1 1 1f l o t o x 存储管剖面示意图及版图l o 图1 1 2 常见e e p r o m 存储阵列的两个相邻存储单元1 1 图1 1 3 半导体存储器的结构框图1 2 图2 1 启动位与停止位的状况1 6 图2 2 两种地址格式位的内容1 7 图2 - 3 主控发送方式下的位格式1 8 图2 4 主控接收方式下的位格式1 8 图2 5 混合方式下的位格式1 8 图3 - 1h f l 8 0 1 外部管脚图2 3 图3 2h f l 8 0 1 电路框图。2 3 图3 3 数据有效时序图2 4 图3 - 4 开始、停止时序定义图2 4 图3 - 5 输出应答2 5 圈3 - 6 器件地址2 5 图3 7 字节写2 6 图3 - 8 页写2 6 图3 - 9 写周期时序2 6 图3 1 0 当前地址读2 7 图3 1 1 随机地址读2 7 图3 一1 2 顺序地址读2 8 图3 。1 3 h f l 8 0 1 项层图。2 8 图3 1 4 h f 2 4 c 0 4l o g i cn e w 2 9 图3 1 5e e p r o ma l ls i m 2 9 图3 1 6 用来产生高于v d d 电压的简单电荷泵3 0 图3 1 7 简单电荷泵的输出3 1 图3 1 8 用来产生低于v s s 电压的电荷泵3 l 图3 1 9 用m o s f e t 做电容的电荷泵3 2 图3 2 0 一种更为高效的电荷泵3 2 图3 2 1 d i c k s o n 电荷泵3 3 图3 - 2 2 d i c k s o n 电荷泵波形示意图3 4 图3 - 2 3 一种对体效应不敏感的电荷泵3 4 图3 2 4 带使能端的环形振荡器3 5 图3 2 5 v p p _ g e n 模块图3 5 图3 2 6 v p p c h g p u m p 电路图3 6 图3 2 7v p p _ g e n 仿真波形图( c = 3 8 7 2 i f , w l = 8 5 i _ t 2 1 l x ) 3 7 图3 2 8 v p p _ g e n 仿真波形图( c = 3 8 7 2 筑w ，i f 8 5 p 2 1 ) 3 7 图3 - 2 9v p p g e n 仿真波形1 图( c = 3 8 7 2 i f , w l = 4 2 l l a ) 3 8 图3 - 3 0 振荡器的分类3 9 图3 3 1 常用r c 振荡器4 0 图3 3 2 环形振荡器，4 0 图3 3 3 晶体振荡器4 1 图3 3 4 v v po s c _ g e n 电路图4 2 图3 3 5 v p po s c _ g e n 仿真图4 2 图3 3 6 0 s c _ p r o 模块图4 3 图3 3 7 0 s cp r o 模块仿真波形图4 3 图3 3 8 0 s ci n t 模块电路图4 4 图3 3 9s d a 信号的串行传入4 5 图3 - 4 0sd e v i c e o k 信号的产生4 5 图3 4 1b i ts i m 模块电路图4 7 图3 4 2e e p r o mb i ts r a m 模块电路图4 8 图3 4 3 典型的s r a m 单元4 9 图3 ，4 4 锁存v c gn 信号的s r a m 电路5 0 图3 4 5 锁存数据信号的s r a m 电路5 0 图3 4 6 施密特触发器的传输特性5 1 图3 - 4 7 施密特触发器的输入和输出波形5 2 图3 4 8 施密特触发器的电路图5 2 图3 - 4 9 用于计算上转换点电压v s 蹦的部分施密特触发器电路5 3 图3 5 0s c h m i t ts c k s d a 模块5 3 图3 5 1s c h m i t t 模块电路图5 4 图3 5 2s c h m i t t 模块仿真图5 4 图3 5 3 w p 信号控制电路5 5 图3 5 4 e e p r o mr o w s e l e c t 模块5 5 图3 5 5 创建c o n f i g 视图5 6 图3 5 6 n e w c o n f i g u r a t i o n 对话框5 7 图3 5 7 h f l 8 0 1n e wy 的c o n f i g 视图5 7 图3 5 8c a d e n c e h i e r a r c h ye d i t o r 对话框5 8 图3 5 9 数模电路划分5 8 图3 6 0 模拟仿真界面5 9 图3 6 1c h o o s i n gs i m u l a t o r d i r e c t o r y h o s t 对话框5 9 图3 6 2s i m u l m i o n f i l e ss e t u p 对话框6 0 图3 6 3 e d i t i n g d e s i g n v a r i a b l e s 对话框6 0 图3 6 4 顺序地址读仿真波形图6 1 图3 6 5 页写仿真波形图6 2 图3 6 6 第一个字节数据的锁存波形图6 3 图3 6 7 第二个字节数据的锁存波形图6 3 图3 6 8 第三个字节数据的锁存波形图6 4 图3 6 9 第四个字节数据的锁存波形图6 4 图4 1s e 简单p & r 流程6 5 图4 2 产生设计数据文件6 7 图4 3s e 界面7 0 图4 - 4 i m p o r t l e f 对话框7 0 图4 5 i m p o r t v e r i l o g 对话框7 1 图4 ，6 i n i t i a l i z e f l o o r p l a n 对话框7 2 图4 7 初始化后的s e 界面7 2 图4 - 8 a d d b l o c k a g e 对话框7 3 图4 - 9p l a c e c e l l s 对话框7 3 图4 1 0 布单元后的s e 界面7 4 图4 一1 1g l o b a l r o u t e 对话框7 4 图4 1 2 f i n a l r o u t e 对话框7 5 图4 1 3 布线后的s e 界面7 5 图4 1 4s r o u t e a d d f i l l e r c e l l s 对话框7 6 图4 1 5 添加c o r e f i l l e r 后的s e 界面7 6 图4 1 6 e x p o r t g d s i i 对话框7 7 表格清单 表1 1 半导体存储器的分类，3 表2 - 11 2 c 常用术语总结1 9 表2 - 21 2 c 总线传输相关术语总结1 9 表3 1h f l 8 0 1 管脚说明2 2 表4 - 1h f l 8 0 1 主要器件p c m 参数7 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盒目b 工些盔堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的捌 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：王寿诤瞻字日期：对年手月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒鳇王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 墨王些盔堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：王孝净争 导师签名； 避云 矿i 签字日期：础年弓月矽日签字日期：多斛弓, e l 湘 学位论文作者毕业后去向 1 作单位： 通讯地址： 电话 邮编 致谢 本论文是在梁齐副教授和无锡华方微电子有限公司李桂宏总经理的悉心指 导下完成的。两位老师不仅学识渊博、治学严谨，而且诚恳待人、平易近人。 他们宽广的知识面、活跃的思维以及对学科的深刻认识和严谨态度，给我留下 了深刻的印象；他们对科学的认真态度以及平易近人的工作作风是我学习的楷 模，并将使我终生受益。衷心感谢两位老师在学习、科研以及工作等各方面给 予的支持、关心、培养和教诲。 该课题研究工作是在无锡华方微电子有限公司完成的。在课题研究期间， 华方给我提供了良好的软、硬件环境。在工作和生活中，华方的全体员工也给 予了我无微不至的关照，在此向他们表示衷心的感谢。 感谢项目组成员罗明、杨国民、成晟、高瞻的有益指导和热情帮助。 感谢研发部成员张怀东、张燕等的大力支持和帮助。 感谢硕士研究生林慧君、刘晓稳、武君以及博士研究生孙海平等给予的帮 助和支持。 感谢童彩霞，章莉等朋友对我的关心和支持。 特别感谢我的父母及哥哥多年来的培养、帮助、关心和支持。 同时，感谢所有教育和帮助过我的老师、同学和朋友们，感谢他们在我成 长道路上给予的培养，关心和帮助。 作者：王志鸿 2 0 0 5 年2 月2 6 曰 第一章半导体存储器 本章简要介绍了半导体存储器的地位、作用以及在国内外的发展情况，并 对半导体存储器的分类和结构进行了较为详细的阐述。 1 1 概述 i 1 1 引言 当今的社会是一个信息的社会，电子信息产业已经成为世界第一产业，我 们也正置身于一场跨越时空的新的信息技术革命之中。这场技术革命与以往的 任何一次技术革命都不相同，它将比历史上的任何一次技术革命对社会、经济 、政治、文化等带来的冲击都更为巨大，它正在改变我们的生产、生活和工作 方式。在这场信息技术革命中，计算机和通讯技术是两大支柱，但是其基础都 是微电子技术。自上世纪5 0 年代晶体管诞生以来，微电子技术发展异常迅速， 目前已进入甚大规模集成电路和系统集成时代，微电子技术不仅成为整个信息 技术和信息产业的基础，也是一个国家综合国力的重要标志。可以毫不夸张地 说，没有微电子就没有今天的信息社会。因此，在被称为信息时代的2 1 世纪， 微电子技术必将得到高速发展。 微电子技术的核心是集成电路，而集成电路是当今世界上发展速度最快、 更新换代也最快的电子产品。在大量的电子产品中，都有存储数据和程序指令 的要求。存储器是计算机的重要组成部分，有了它计算机才有记忆功能，才能 把计算机要执行的程序、处理的数据以及计算的结果在计算机中进行存储，才 能使计算机脱离人的干预自动地进行工作。在设计一个完整的片上数字系统时， 存储器也将占芯片相当可观的一大块面积。存储器的应用范围之广由此可见一 斑。 目前，存储器已不单纯用于存储信息，而且还可用来实现组合逻辑电路的 功能。如果配以适当的触发器，还可以实现时序逻辑电路的功能。存储器的种 类很多，但现在最常用的是半导体存储器，因为它的容量、速度、体积、价格 、功耗等各种性能指标均能满足要求，而m o s 存储器更是由于它集成度高、功 耗低的特点得到了广泛的应用。 1 1 2 半导体存储器的发展概况 半导体存储器最早出现于2 0 世纪6 0 年代，到目前为止，已有了超过4 0 年 的发展历程。当前的许多数字化设计都与数值和程序指令的存储有关。半导体 存储器作为一种代表集成电路技术发展水平的典型产品，在集成电路中技术最 先迸、产量最多，市场最大，因此半导体存储器的研制和生产水平历来就是衡 量一个国家科学技术和工业发达程度的标志。存储器驱动着各种工艺和生产技 术的发展，它不仅是芯片生产厂商的技术“驱动器”，而且也是半导体材料和设 备公司重要的“驱动器”。几乎所有发达国家和地区都把半导体存储器作为发展 集成电路技术的突破口。正因为半导体存储器在集成电路产品中的重要地位， 研究半导体存储器技术的发展便有着特殊的代表意义。 1 9 7 1 年第一块d r a m 首先诞生于美国。7 0 年代中期日本参与存储器竞争， 他们大举引资，大量引进美国设备和技术，凭借其大规模低成本生产优势和低 价倾销战略取得了存储器领域的领先地位，也导致了美、日间激烈的半导体贸 易摩擦。8 0 年代中期，韩国步日本之后尘，在存储器领域获得了许多美国和日 本的技术，标准化的技术和大量的投资，使韩国的低廉劳动力优势得以充分体 现。1 9 8 5 年韩国的三星公司己跨入了当年d r a m 的世界头号供应商之列。 存储器的产品寿命周期很短，平均每一代产品的寿命周期不足4 年，工艺 技术每跨上一个新台阶，总要以新一代的产品作为它的代表，同时把上一代的 产品送上衰落的起点。因此存储器的发展速度也是惊人的。半导体存储器的典 型代表m o s 存储器，其发展最为迅猛。集成度大约每3 年增长4 倍，从7 0 年 代的k b ( 1 0 3 ) 规模，到8 0 年代中期发展到m b ( 1 0 6 ) 规模，1 9 9 5 年已研制出g b ( 1 0 9 1 规模的d r a m 芯片。预计到2 0 3 1 年左右d r a m 的集成度将达到1 t b ( 1 0 1 2 ) 。 今后半导体存储器的发展方向仍然是高密度、微细化、高速、低功耗、高 性能价格比、多功能品种和封装小型化。 我国的半导体技术仍然很落后，与国外先进国家相比还存在着很大的差距， 但经过长期的努力，我国存储器技术领域还是取得了一些成绩。1 9 8 6 年中国华 晶电子集团公司研带4 成功了第一块2 5 1 a m 工艺每个芯片含1 5 万个元件的6 4 k b d r a m ，标志着我国进入了v l s i 领域。1 9 9 0 年清华大学微电子学研究所研制 出1 1 5 u m 工艺1 m 位汉字r o m 的样品。 存储器的研制和生产水平历来是衡量一个国家科学技术和工业发达程度的 标志，国家应制定长远规划和政策扶植其发展，例如加速科研成果商品化、保 护国内市场等，逐步缩小与发达国家之间的差距。 1 2 半导体存储器的分类 存储器是用来存储数据字、程序( 指令) 字的一些单元的集合。作为数据存 入和读出的功能模块，它主要包含两个部分：记忆体和写入读出控制逻辑。 现代数字系统中的一个重要部分就是半导体存储器。半导体存储器用来存储 数字资料，因此它和数字寄存器有些类似；但它又不同于寄存器，因为它通常 不能在同一时间并行存取所有的存储单元，而只能一次存取一个或几个存储单 元。半导体存储器除了数据线以外，还需有地址输入端；这些地址信号被解码 后，就确定了要存取数据的地址。当然，除了数据线和地址线外，还需要有控 制线，决定将要执行哪种功能。半导体存储器包括存储单元阵列，这些存储单 元中包括锁存器和电容。 2 半导体存储器是各种电子数字计算机的主要存储部件，并广泛应用于其他电 子设备中。对半导体存储器的基本要求是高密度、大容量、高速度，低功耗。 半导体存储器根据存储器的功能、读取数据的方式和数据存储的原理可分为只 读存储器( 又称非挥发性存储器) 和随机存储器( 又称挥发性随机存储器) 。挥 发性随机存储器是很灵活的一种存储器，它可以同时提供读、写功能和有可比 性的读、写时间。这类存储器可以随时将外部信息写入到其中的任何一个单元 中，也可随意地读出任何一个单元中的信息。非挥发性存储器的存储信息在掉 电后仍然存在，所以称这一类存储器为非挥发性存储器，它主要用于计算机、 航空、远程通讯和消费类电子中，用来存储程序和微代码。非挥发性存储器中 所存储的数据可以是永久不变的，或者是可编程的，这取决于存储器件的结构。 具体分类如表1 1 所示： 表1 - 1 半导体存储器的分类 挥发性随机存储器非挥发性存储器 r a mr o mf l a s h s r a mm a s k r o m d r a mp i m e p r o m u v e p r o m e e p r o m ( _ ) m a s kr o m ( 掩模编程r o m ) 它所存储的固定逻辑信息，是由生产厂家通过光刻掩模板来决定的。其典 型应用的例子是用在如洗衣机、计算器和游戏机等有固定用途的产品的处理器 中，用来存储那些固定程序。存储在其中的信息是永恒不变的。它的特点是结 构简单、易于制造，但灵活性差。m a s kr o m 可以用接触孔的掩模版来编程， 也可以通过“存在”和“不存在”栅开启m o s 管，或利用离子注入方法使m o s 管永远截止( 或永远导通) 等方法来实现编程。 p r o m ( 可编程r o m ) 此类r o m 通常采用熔丝结构，用户可根据编程的需要，把无用的熔丝烧 断来完成编程工作( 即把信息写入到存储器中) 。但一旦编程完毕，就无法再变 更，故用户只可编程( 写) 一次。m a s kr o m 是由用户提供码点，由生产厂家 完成制作的，且一旦制成其中存储的信息就无法改变；而p r o m 则可允许用户 根据需要进行一次编程，但用户一旦写入信息，就不能再改写。 p r o m 一般采用双极型电路，双极型p r o m 的基本结构有熔丝型和结破坏 型( 击穿型) 两种类型。 1 熔丝型p r o m 其存储单元是由晶体管的发射级连接一段镍铬熔丝组成。在正常工作电流 下，熔丝不会被烧断：而当通过几倍工作电流的情况下，熔丝会立即被烧断。 当选中某一单元时，若此单元的熔丝未被烧断，则晶体管导通，回路有电流， 表示该单元存储信息l ；而若此单元的熔丝已被烧断，就构不成回路，故无电流 流通，表示该单元存储信息0 。因此可以通过烧断熔丝的办法来进行编程。 2 结破坏型( 击穿型) p r o m 其存储单元是一对背靠背连接的二极管，它们跨接在对应的字线与位线的 交叉处，因此在正常情况下不导通，芯片中没有写入数据，一般认为编程前全 部单元都为0 。当用户编程时，通电将要写入l 的单元中那只反接的二极管被击 穿，于是这一单元可以有电流流通，这表示写入了1 。 p r o m 的特点是可编程但只能编程一次。这样的话，在编程中出现的一个 小小的错误，就会让整个器件报废。为了解决此问题，人们又研制出了一些可 重复编程的存储器，但是它们的编程速度比较慢。 e p r o m ( 可擦除可编程r o m ) 此类r o m 存储单元中存储信息的管子采用浮栅( f l o a t i n g g a t e ) 结构，利 用浮栅上有无电荷来存储信息。目前的e p r o m 擦除次数可达1 0 6 以上，擦除方 式有光擦除和电擦除两种。电擦除的e p r o m 又可以简称为e e p r o m 。光擦除 的e p r o m 需要重新编程时，可先用紫外线或x 射线把原来存储的信息一次全 部擦除，再根据需要编入新的内容，可反复编程；但由于不能逐字擦除所存内 容，且擦除时需要紫外线或x - 射线，擦除时间长，故使用不便。 e p r o m 一般采用m o s 电路，其存储单元中存储信息的m o s 管可以有不 同的结构。 ( d ) 图1 - 1p 沟f a m o s 管 f a m o s ( f l o a t i n g - g a t ea v a l a n c h e i n j e c t i o nm o s ，浮栅雪崩注入m o s 晶体管) 结构如图1 - 1 ( a ) 所示，其多晶硅栅被二氧化硅包围与外界绝缘，称为浮栅。浮栅 下面是8 0 0 一1 0 0 0 , & 热生长栅氧化层。当浮栅上没有负电荷时，此m o s 管截止， 表示存储信息0 ；编程时，在漏端加足够高的负电位，如图1 1 f b ) 所示，则漏区 p n 结沟道一侧表面的耗尽层中发生雪崩倍增，由此产生的高能电子能够越过硅 豹 一二氧化硅界面势垒，并在二氧化硅中电场的作用下进入到多晶硅栅中，存储在 浮栅上，当浮栅上的负电荷足够多时会使此m o s 管导通，表示写入信息l 。用 紫外线或x 一射线照射可以擦除写入的信息。 sgd 刎黝 l 堕l 堕j 一卜- 一 3 4 严m p s i 图1 2n 沟s i m o s 管 上土 上上 图1 - 3s i m o s 矩阵示意图 s i m o s ( s t a c k e d g a t ei n j e c t i o nm o s ) 结构如图1 - 2 所示，它有两个互相重叠的 多晶硅栅，下面是与外界绝缘的浮栅，上面是连到外部的控制栅或选择栅g ， 起控制和选择的作用。对于n m o s 来说，当浮栅中没有注入电子时，开启电压 较低，称为1 状态；在浮栅中注入电子后开启电压变高，成为0 状态，所以一 个s i m o s 管就是一个存储单元，其存储矩阵的示意图如图1 3 所示。浮栅中的 电子注入是靠“热电子”沟道注入完成的。当源漏间加足够高的电压时，只要 沟道长度足够小，可以使“热电子”的能量超过硅一二氧化硅界面势垒，借助于 控制栅上的附加正电压，就可以把电子拉到浮栅中去。当要擦除信息时，仍可 采用紫外线照射多晶硅栅，此时控制栅、源、漏、衬底都应接地电位。 u v e p r o m ( 紫外线光可擦除可编程r o m ) 它属于光擦除e p r o m ，其核心部件就是一个浮栅晶体管( f l o a t i n gg a t e t r a n s i s t o r ) ，结构如图l - 4 所示。 融 图l - 4 浮栅晶体管的横截面 浮栅晶体管最重要的特性是它的阈值电压的可编程性。当在图1 - 4 所示结 构的栅源和漏源之间分别加上1 5 - 2 0 v 的大电压，则产生的大电场将会引起雪 崩注入，衬底中的电子就会获得足够的能量而变为“热电子”并穿过第一层氧 化绝缘层，被浮栅俘获，这称为浮栅晶体管的编程过程。由于浮栅的四周被绝 缘性能优良的二氧化硅( s i 0 2 ) 所包围，所以即使在不加电源电压的情况下， 浮栅上被俘获的电子仍能保存很多年，因此就产生了非挥发性存储器。由于浮栅 上所俘获的电子使得在其上产生一个负电压，从一个器件的角度来看，这就意 味着阈值电压的增大( 典型值为7 v 左右) ，所以在栅源之间加上普通的5 v 电 压已不足以打开此器件，信息保存其中。 u v e p r o m 是通过紫外线来进行擦除的，紫外线通过在氧化层内直接产生 电子空穴对而导致其能轻微地导电，将存储在浮栅上的电子泄放掉，达到擦除 的目的。u v e p r o m 的擦除速度很慢，根据紫外线强度的不同需几秒钟到几分 钟的不等的擦除时间，而且擦除时还需将其从系统中拿出，放到特定的装置中 用紫外线进行擦除，且只能进行全部擦除，很不方便。这种存储器还存在擦除 次数有限的缺点，一般可擦除1 0 0 0 次左右。但是u v e p r o m 也有其特有的优 点，它的存储单元简单，存储容量可与d r a m 媲美，这使它在制造大容量存储 器时成本较低。 综上所述，u v e p r o m 适宜用于制造大容量且不需经常编程的存储器。紫 外线( u v ) 擦除常用在早期的e p r o m 中。 e e p r o m ( 电可擦除可编程r o m ) 此类r o m 存储单元中存储信息的管子采用浮栅隧道氧化物结构。它是利 用f o w l e r - n o r d h e i m 隧道效应来实现存储管子中信息的存储和擦除，可以在较低 的电压( 约2 0 v ) 下实现逐字的擦和写。详见第三节。e e p r o m 单元存“0 ” 、存“1 ”状态的定义以及擦除和写入操作的定义是可以根据需要改变的。有的 产品把对浮栅充电作为擦除操作；而把浮栅放电作为写入操作，在这种情况下， 每次写入前必须先擦除。 f l a s h g 曲e 图1 - 5f l a s h 存储单兀结构 f l a s h 出现于1 9 8 4 年，此后就得到了迅猛发展，现已成为应用最广泛的 存储器之一。大部分f l a s h 的擦除采用的是与e e p r o m 相同的方法即 f o w l e r - n o r d h e i m 隧穿效应，而编程采用的是与u v e p r o m 相同的机制即热电子 注入效应。图1 5 所示的f l a s h 存储单元结构由i n t e l 公司提出，它与图1 - 4 所示的浮栅晶体管的结构相似，不同的是图1 5 所示的结构中采用了非常薄的 一一层隧道栅氧化层，利用栅氧化层的不同部位分别进行编程和擦除操作。编程 时，在栅和漏极加上1 2 v 左右的电压，而源极接地，产生热电子注入；擦除时， 栅极接地，源极加上】2 v 左右的电压，利用薄氧化层的f o w l e r - n o r d h e i m 隧穿效 应进行擦除操作。与一般的e e p r o m 相比，f l a s h 不支持有选择的擦除编程， 这虽然降低了它的灵活性，但却可省略一般的e e p r o m 中多余的选择晶体管， 使得它的存储单元面积减少了2 - 3 倍，存储容量大大增加。一次性擦除全部存 储单元的信息，需要在擦除过程中对器件特性进行严格监测，以确保未被编程 的器件为增强型器件。存储芯片上的监测部件会定期地在擦除过程中检查器件 的阂值电压，并动态地调整擦除时间。上述方法只足在一次性擦除大块存储内 容，甚至是整个f l a s h 的内容时才是可行的。f l a s h 主要用于高密度非挥发 性存储类产品中，如存储器模块和存储卡等。 旧s r a m ( 静态随机存取存储器) s r a m 存储单元由某种锁存器作为存储元件，所以只要不断掉电源，存储 的信息就一直保留着。s r a m 的系统设计比较容易，潜在的故障较少，工作速 度快，但功耗大，且占用的芯片面积大。s r a m 在集成度和功耗方面都不如 d r a m 性能优越，但是s r a m 不需要刷新，外围电路简单，而且工作速度较快， 在某些应用方面是d r a m 不能取代的。 i 曩a ? f露l 曩 i _ l i 骶 ，：。 i 一t 0 。： 蜥 j 舅 i 。 。i ! 指 因 簿i 囊 。；： i泛 ，o 一1p ! ：；! 弋 1 一l m l r a 韵 _ 里i牛二j ：捧“ j 一!j - 熹譬1 l 誓：一 ! l 臣蚕 固i 图i 6 耗尽负载六管静态电路 图1 7c m o s 静态存储单元 ( a ) 电路圈；( b ) 版图( a ) 电路图；( b ) 版图 s r a m 中存储单元的核心部分是一个双稳态触发器，用它的两种状态表示 信息l 和0 。s r a m 的存储单元可以有多种形式，如六管单元、五管单元、四 管单元。图1 - 6 是一个e dn m o s 六管静态单元的电路图( a ) 和相应的版图( b ) 。 存储单元中的负载元件m 3 和m 4 可以是耗尽型m o s 管，也可是增强型m o s 管，p 型m o s 管( c m o s 存储单元如图l - 7 所示) 或者是掺杂的多晶硅电阻( 如 图1 8 所示) 。负载的作用是抵消存储管m 1 、m 2 漏极和传输管m 5 、m 6 的电 荷泄漏的影响，以保持存储的信息不变。 有关s r a m 的具体工作原理，详见本文第三章第四节。 图1 - 8 电阻负载静态存储单元 ( a ) 电路图；( b ) 版图 d r a m ( 动态随机存取存储器) 其存储单元是利用一个很小的电容存储电荷来保持信息的。存储在电容上 的电荷会逐渐泄漏，因此必须在电荷完全泄掉以前，重新写入信息，即存储单 元必须被刷新。d r a m 的集成度高，功耗低，但速度不及s r a m 。 动态存储器的存储单元也有很多形式，有四管单元、三管单元和单管单元， 目前大容量存储器( 如6 4 m b ，2 5 6 m b ，1 g b ) 基本上都是单管单元，图1 - 9 是动 态单管单元的复合版图，剖面图和电路图。由图可见，每个单元由一个m o s 管和一个电容组成，其中m o s 管m 作为开关，起地址选择的作用，它的多晶 硅栅电极作为字选择线w l ( 读写选择线) ，它的漏和源分别接数据线b l ( 位 线) 和电容( c s ) 。信息存储在电容c s 上，c s 称为存储电容。在硅栅工艺中， 电容c s 是由以栅氧化层为介质的氧化层电容c o x 和p n 结电容( 由源n + 区， 表面n 型反型层与衬底构成的p n 结) 组成的。为了增加存储电荷的电荷量， 加入了多晶硅区( 图1 - 9 中的p s 区) 。工作( 读，写) 时，p s 区加正电压v d d ， 这时在p s 区下的硅衬底表面形成n 型反型层，它和m o s 管m 的源区连在一 起，形成电容的另一个极。 图1 - 9 动态单管单元 ( a ) 版图：( b ) 剖面图；( c ) 电路图 当写入信息时，位线加高电压或地电压，字线从地电压升为高电压，m o s 管导通，电容c s 上相应为有电荷或无电荷。当字线回到地电压时，m o s 管截 止，信息就保存在电容c s 上。但虽然m o s 管截止，却仍存在着泄漏电流：为 了克服电荷泄漏问题，动态存储单元需要定期进行刷新。刷新操作，即每个单 元的数据被周期地读出、放大然后重写。刷新频率取决于m o s 管的泄漏情况， 随着温度升高，刷新频率急剧增加( 在7 0 ( 2 时典型的要求是每2 m s 刷新一次， 而在温度较低时，刷新的时间间隔可增加为几百m s ) 。 当要读出存储的信息时，将字线升为高电压，电容c s 上的电压把电荷从 c s 移向位线电容，这就产生了电荷分享的情况。位线是事先被预充电的，电荷 分享将会导致位线上的电压发生变化，但这种变化是很微小的，通常只有几百 毫伏，所以需要通过灵敏放大器把这微小的电压差放大，然后才把它从位线读 出。灵敏放大器的设计是d r a m 设计中的一个关键因素。 1 3电可擦除可编程只读存储器( e e p r o m ) e p r o m 是通过对存储信息的管子施加较高电压，产生高能电子来实现电子 注入( 写入信息) 的，这种热电子注入效应是单向的，仅是热电子从衬底注入 到浮栅上；而e e p r o m 是利用f o w l e r - n o