（计算机应用技术专业论文）基于qvga阵列的嵌入式flash+ip设计.pdf

摘要 摘要 当今微电子工业的产值占世界经济总产值的4 ，己经是全世界最大的产业。 预测表明，在今后的2 5 年里，更将占到世乔总产值的8 。 像所有迅速发展的事物一样，发展产生了分工，更细的分工又推动着更高速 的发展。作为微电子技术的一个分支微电子设计业的分工也在进行着细化，其中 最引人注目的是，设计公司逐步划分为可重用功能模块设计和系统集成类。功能 块电路( i p ， i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 基本上是中、小规模设计，这与我国目前 的微电子设计能力有比较好的衔接，适合我国目前的国情。 论文的主要工作是嵌入式f l a s hi p 的设计与实现。该f l a s h 存储器的阵 列采用q v g a ( q u a s i v i r t u a lg r o u n da r r a y ，q v g a ) 结构，存储容量为1 6 k 1 6 b i t ， 该存储器电路主要包括以下几个方面：高压产生电路、数字控制逻辑电路、f l a s h 存储阵列以及其专的外围电路。总体分为两部分：数字控制逻辑电路和模拟宏单 元电路。二者无论是电路还是版图均采用全定制方法设计。 论文首先对i p 和非挥发存储器，特别是f l a s h 存储器进行了一般性概述； 接着对f l a s h 的基本工作原理，编程、擦除和读操作以及阵列结构作了详细的介 绍，并阐述了本文所采用的f l a s h 存储阵列结构。然后介绍了f l a s hi p 的算法 设计与功能划分，随后是具体电路设计和物理版图设计。其中重点介绍了高压产 生系统的设计与实现，包括电荷泵，带隙基准，时钟产生电路，d a c 及其它相关 电路。 文章的最后对全文进行了总结，并结合己经完成的研究内容提出了下一步的 工作展望。 关键词：f l a s hi p ，电荷泵，高压产生系统，全定制设计 江南大学硕七学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y sm i c r o e l e c t r o n i ci n d u s t r yh a sb e c o m et h eb i g g e s to n eo fw h i c h p r o d u c t i o nv a l u eo c c u p i e s4p e r c e n to ft h ew h o l e w o r l d t h ef o r e c a s ti n d i c a t e st h a ti t s v a l u ew i l lr e a c h8p e r c e n t l i k ea l lt h er a p i d l yd e v e l o p i n gt h i n g s ，d e v e l o p m e n tp r o d u c e sd i v i s i o no fw o r k a n dm o r es p e c i f i cd i v i s i o nd r i v em u c hf a s t e rd e v e l o p m e n t t h ed i v i s i o no f m i c r o e l e c t r o n i cd e s i g ni n d u s t r yi sa l s ou n d e rt h ew a y , w h i c hi sab r a n c ho f m i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y t h em o s ta t t r a c t i v eo n ei st h a td e s i g nc o m p a n i e sg r o w i n t ot w o c a t e g o r i e s i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) b l o c kd e s i g n a n d s y s t e m i n t e g r a t i o n s i n c et h es c a l eo fi pb l o c ki sm a i n l ys m a l lo rm i d d l e ，t h i sh a sab e t t e r i n t e r f a c ew i t hn a t i o n a ld e s i g nc a p a b i l i t ya n df i tf o r t h ep r e s e n ts i t u a t i o no fo a r c o u n t r y d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fa ne m b e d d e df l a s hi pi ss t u d i e d i nt h i sp a p e r t h e s t r u c t u r eo fq v g ai sa d o p t e di nt h ef l a s hi pm e m o r ya r r a y t h ec a p a c i t yo ft h ef l a s h m e m o r yi s1 6 k x l 6 b i t t h ec i r c u i tm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gs e c t i o n s ：h i g hv o l t a g e g e n e r a t i o nc i r c u i t ，d i g i t a lc o n t r o l1 0 9 i c ，h a s hm e m o r ya r r a ya n ds p e c i a lp e r i p h e r y c i r c u i t s t h e ya r ed i v i d e di n t ot w op a r t s ：d i g i t a lc o n t r o ll o g i cc i r c u i t sa n da n a l o g m a c r oc i r c u i t s b o t hs c h e m a t i cd e s i g na n dp h y s i c a ld e s i g no ft h e ma r ec o m p l e t e db y f i l l lc u s t o mm e t h o d i n t h i sp a p e r , ag e n e r a ld e s c r i p t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fi pa n dn o n v o l a t i l e m e m o r y , e s p e c i a l l yf l a s hm e m o r y , i sf i r s tg i v e n t h e nt h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e s ，t h e o p e r a t i o no fp r o g r a m m i n g ，e r a s i n ga n da c c e s s ，a n da r r a ya r c h i t e c t u r e o ff l a s h m e m o r ya r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ，t h eo r ea d o p t e di n t h i sp a p e ri sa l s oe x p a t i a t e d f u r t h e r m o r e ，t h ed e s i g no fa l g o r i t h ma n df u n c t i o na r ei n t r o d u c e d ，a n dt h es c h e m a t i c d e s i g na n dp h y s i c a ll a y o u td e s i g na r ed e s c r i b e d t h es t u d yi sf o c u s e do nt h eh i i g h v o l t a g eg e n e r a t i o nc i r c u i t ，i n c l u d i n g t h ec h a r g ep u m p ，b a n d g a pc i r c u i t ，c l o c k g e n e r a t i o nc i r c u i t ，d a ca n do t h e rr e l a t e dc i r c u i t s a tt h ee n do ft h i sp a p e f ，ac o n c l u s i o ni sd r a w na n dt h ep r o s p e c to ff u t u r ew o r ki s g i v e nc o m b i n e dw i t hf i n i s h e dr e s e a r c h k e yw o r d s ：f l a s hi p ，c h a r g ep u m p ，h i g l lv o l t a g eg e n e r a t i o ns y s t e m ，f u l lc u s t o m m e t h o d l l 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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 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 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 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。 签名： 日物。占年占月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学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，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 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，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 导师签名：i 乙生i 整一 日屹勋一年月 曰 第一章引言 第一章引言 1 1f i a s h 存储器技术及应用 1 1 1f i a s h 存储器技术进展 目前数字存储技术主要分成三种：磁式、光电式和半导体式。半导体存储技 术基本上又分为挥发性( v o l a t il e ) 与非挥发性( n o n v o l a t il e ) 两种，挥发性存储 器技术较为成熟，也是目前半导体存储技术的主流，包括d r a m 和s r a m 等；非 挥发性存储器技术包括过去的掩膜r o m 、e p r o m 、e e p r o m 、f l a s h ( 快闪) 、以及新 兴的f r a m ( 铁电存储器) 、m r a m ( 磁性存储器) 与o u m ( 相变存储器) 等。近年来由 于便携式电子产品的发展，磁式和光电式的存储元件无法满足轻、薄、短、小的 要求，所以半导体存储技术尤其是非挥发性存储技术的成长相当迅速。非挥发性、 存取速度快、成本低、制作过程简单、数掘存储密度高、耗电量低和可无限次数 擦写等特性，成为未来存储器技术所必须具备的要点 1 。 浮栅型不挥发存储器起源于1 9 6 7 年d k a h n g 与s s z e 提出的m i m i s ( m e t a l i n s u l a t o r m e t a l i n s u l a t o r s i l i c o n ) 结构。它在传统的m o s f e t 上 增加了一个金属浮栅和一层超薄隧穿氧化层，并利用浮栅来存储电荷。1 9 7 1 年 i n t e l 首次推出了商业化的浮栅元件f a m o s ( f l o a t i n g g a t e a v a l a n c h e i n j e c t i o nm o s ) 。它采用p 型沟道的雪崩电子注入来实现编程。采 用沟道热电子注入的e p r o m 虽然大大提高了编程的效率，但必须由紫外线照射来 擦除，应用不方便且封装成本太大。后来发展了现在的电可擦写e e p r o m ( e 1 e c t r i c a le r a s a b l ep r o g r a m m a b l er o m ) ，提高了使用上的便利性。e e p r o m 在 漏端增加了一个薄氧隧穿窗口，通过f n 隧穿效应进行擦写操作，但为防止擦除 后浮栅中j 下电荷造成的短路，必须增加一个选择管。这样单元面积无法缩小。 1 9 8 4 年m a s u o k a 等首次提出了f l a s h 的概念，通过块擦除实现了快闪擦除 的高速度，采用单管结构消除了e e p r o m 中必有的选择管，减小了面积，集成度 大大提高。可靠性好、可重复擦写1 0 力次以上，数据可靠保持超过1 0 年。目前 已达9 0 n m 技术水平，单片存储容量可达几百兆。f l a s h 存储器与e p r o m 、e e p r o m 的性能对比如表卜l 所示。由于结合了e p r o m 和e e p r o m 的优点，f l a s h 存储器 的应用领域和市场份额同趋增大。图卜l 的饼图分别显示了2 0 0 1 年和2 0 0 6 年 f l a s h 存储器的市场占有情况 2 。 江南大学硕士学位论文 f l a s h 存储器的发展具有更大、更小、更低的趋势。首先，借助先进的工艺 优势，f l a s h 存储器的容量可以做的更大，n o rf l a s h 技术已经出现2 5 6 m b 的器 件，n a n d f l a s h 技术已经有1 g b 的器件。随着半导体制造工艺的发展，主流f l a s h 存储器厂家已经采用0 1 3 i im ，甚至9 0 n m 的制造工艺。同时芯片的封装尺寸更 小：从最初的d i p 封装，到p s o p 、s s o p 、t s o p 封装，再到b g a 封装，f l a s h 存 储器已经变得非常小巧。另外，先进的工艺技术也决定了f l a s h 存储器的低电压 特性，从最初的1 2 v 的编程电压，一步步下降到5 v 、3 3 v 、2 7 v 、1 8 v 单电压 供电，器件功耗也随之不断降低。 表1 - 1f l a s h 存储器、e p r o m 、e e p r o m 的性能对比 裔芝 u v e p r o me e p r o mf l a s h 擦除速度 1 5 m i n1 0 m s1 0 0 m s 编程时间1 0 us 1 m s 1 0 ps 单元面积小大小 花费 高 高中等 功耗高低 低一高 工作电压 1 2 v1 5 v 1 0 v - 8 v 2 0 0 1m o sm e m o r ym a r k e t $ 2 4 9 8 2 0 0 6m o sm e m o 咩髓a 哦e $ 3 5 6 b ) 图卜12 0 0 1 ，2 0 0 6 年m e m o r y 市场份额情况 1 1 2f i a s h 存储器的应用 f l a s h 存储器是一种可用电气方法在线擦除和再编程的读写存储器。它既有 r a m 在联机操作中可读可改写的特性，又具有非易失性存储器r o m 在掉电后 仍然能保持所存储数据的优点。写入的数掘在常温下至少可以保持十年，其擦除 编程周期寿命已可以达到1 0 万次或更高。f l a s h 存储器最初是在p c 中用作 b 1 0 s 存储器，如今已广泛地应用于g s m 电话，数字照相机、c d r o m 、智能 2 第一章引言 卡等产品。在需要经常更新软件以提供新服务的应用，都广泛地使用闪速存储器。 闪存市场主要分为n o r 和n a n d 两大阵营。n a n df l a s h 主要用于大容量 存储，如u 盘、m p 3 、m p 4 播放器、数码相机和存储卡等数字产品。n o rf l a s h 主要用于程序的存储，广泛应用于手机、机顶盒、d v d 播放机和可录d v d 等 设备。由于n o rf l a s h 具有高速的编程和访问速度，尤其适合应用嵌入式系统。 目前n a n df l a s h 在全球闪存市场上的占有率达5 0 以上。 1 2i p 技术简介 i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 原意指知识产权，在l c 设计领域则是指预先设计好 的实现某种功能的设计。l p 核( 1 p 模块) 则是指完成某种功能的虚拟电路模块， 也称之为虚拟部件。最早的1 p 核开发是为了提高设计效率、减少设计风险，将 设计成熟、经工艺验证并已优化的设计模块建库，提供给相同功能电路设计使用。 随着集成电路的发展和s o c 复杂性的提高，给i p 核的开发带来巨大的商业机 遇，i p 核己成为一种商品，i p 技术越来越成为f c 业界广泛关注的焦点。 1 2 1i p 核的分类 l p 核的种类很多，例如d s p 、存储器、总线和接口电路、r f 电路、模拟电 路、数字模拟混合电路等。通常把i p 核分为硬l p r 硬核h a r dc o r e ) 、软i p ( 软核 s o f tc o r e ) 。硬核是针对某个特定工艺的一套物理版图，电路布局布线和工艺来 确定的，己经过样品电路的验证。硬核的优点是它的高速度和安全性，但由于依 赖特定的工艺，所以缺少灵活性。 软核用硬件描述语言( v e r i l o gh d l 或v h d u 的形式描述功能块的行为，但 是并不涉及用什么电路和电路元件实现这些行为。与硬核相比，软核的设计周期 短，设计投入少，由于不涉及物理实现，用户能把h d l 表达的软核修改为自己 需要的设计，综合到选定的厂商工艺上，增大了i p 核的灵活性和适应性。但是 这种灵活性的代价是：无法获得目标电路的性能和面积的保证。在目前综合工具 的水平下，可综合软核在部分行为级和寄存器传输级r t l ( r e g i s t e rt r a n s f e rl e v e l ) 完成描述f 3 1 。 1 2 2 硬i p 核设计的必要性 软核适合应用于数字系统中。在模拟电路和数模混合电路中，由于寄生参数 对整个电路的影响很大，仅仅通过功能性的仿真是不可靠的，必需经过实际流片 测试，才能验证电路是否能币常工作，因此数模混合和模拟电路采用经过验证后 的硬核是较好的选择。由于硬核在验证阶段往往需要不断的流片改版，花费成本 很高，因此相对软核而言更为珍贵。 集成电路设计企业在设计数模混合电路时计往往由于模拟部分性能达不到 3 江南大学硕士学位论文 指标而影响整个芯片的设计周期，也有因此而失败的例子。假如采用相应的模拟 电路硬核则会避免该问题的出现。 随着国内集成电路设计业逐渐壮大，对建立l p 库的重视程度也在不断升温， 目前国内己有多家设计公司在做i p 核。但是他们的i p 基本上是停留在软核的层 次上。鉴于此，我们设计开发了一个适合作嵌入应用的1 6 k x l 6 b i t f l a s h m e m o r y ， 希望经过流片测试以后成为一个实用的f l a s h 硬m 核。 1 3 设计目标 通过对国外f l a s hm e m o r y 工艺结构、工作原理、工艺流程、版次、实施等进 行了反复分析研究，结合以往在特种器件研究和设计方面的经验，采用o 2 5i lm 2 p 3 mn o rf l a s h - r 艺，确立了1 6 k 1 6 b i t s 嵌入式f l a s hm e m o r yi p 正向全定 制设计目标。 1 4 论文工作内容及结构安排 1 4 1 论文工作内容 论文工作内容主要包括以下几个方面： 一、搜集资料，阅读参考文献； 二、相关产品电路的分析与总结； 三、1 6 k x1 6 b i t sf l a s hi p 电路设计与仿真； 四、1 6 k 1 6 b i t sf l a s hi p 版图设计与验证； 五、1 6 k 1 6 b i t sf 1 a s hi p 后仿真； 六、分析与总结 1 4 2 论文结构安排 论文由五个章节组成。第一章引言，第二章为f l a s hm e m o r y 技术概论， 分别介绍了非挥发性存储器发展情况，f l a s h 存储器单元工作原理与时下流行的 阵列结构以及f l a s h 单元可靠性问题；第三章介绍f l a s hi p 的模块划分，各模块 的初步设计以及f l a s hi p 实现算法的设计。具体的电路级设计与优化是第四章的 主要内容，版图设计及验证放在第五章介绍。第六章为总结与展望。 4 第二章f l a s hm c m o f y 技术 第二章f i a s hm e m o r y 技术 非挥发性存储器是一种在没有外接电源情况下能保持存储信息的存储器与 s r a m 和d r a m 这样的挥发性存储器相比，非挥发存储器( n o nv o l a t i l em e m o r i e s ， n v m ，也称非易失存储器) 的特点在于，当电源暂时中断或器件长时间处于断电 状态时，能够保持已存储的数据，而前者在这些条件下则会丢掉存储的信息。计 算机硬盘，软盘，磁带，掩模r o m ，e p r o m ( 可擦除可编程r o m ) ，e e p r o m ( 电可 擦除可编程r o m ) 和快闪( f l a s h ) 存储器都属于该范畴。前面三种非挥发性存 储器都属于磁介质存储体，掩模r o m 通常是制造商根据一个预期的逻辑函数的真 值表生产的定制器件，制造商将真值表转换成适当的r o m 掩模图案，它可以实现 必需的逻辑函数。e p r o m 、e e p r o m 和快闪( f l a s h ) 存储器单元均属于浮栅型器 件，根据浮栅中存储电荷的多少来确定存储单元的状态。快闪存储器是1 9 8 7 年 提出来的，是e e p r o m 走向成熟和半导体技术发展到1 m 技术以下以及对大容量 电可擦除存储器需求的产物 4 。 2 1 浮栅器件模型 图2 - 1 浮栅晶体管截面模型图 江南大学硕士学位论文 、- eeee f l o 芦嗣n g g a t e 一一。 图2 - 2 浮栅晶体管的能带图 浮栅器件截面逻辑图如图2 - 1 所示 2 。上面的栅称为控制栅，下面的栅为 浮栅，二者以绝缘介质层隔离。浮栅充当一个势阱，如图2 2 所示，当一个电荷 被势阱吸收后，没有外加电压作用，它将不能从势阱中移出。也就是说浮栅可以 存储电荷。图2 - 1 浮栅晶体管截面模型图可以帮助我们更好地理解浮栅器件的电 特性。c 。，c ；，g 和c 。是浮栅分别与控制栅，源端，漏端和衬底之间的电容。总 的浮栅电容 c r ；cf c + c d + cs + cb ( 2 1 ) 浮栅上存储的电荷量q 可以表示为 q = 嘛一) + g 一k ) + g 一) + g 一k ) ( 2 2 ) 相对于浮栅器件某一端( 控制栅端g ，漏端d ，源端s 和衬底端b 其中之一) ， 定义电容耦合系数= q c , ，浮栅上的耦合电压表示为 = 0 【g + c t d + 0 【s v s + c c 口 ( 2 3 ) 由式( 2 3 ) 可以看出，浮栅电压不仅与控制栅端电压有关，还与漏端，源 端和衬底端电压有关。假设源端与衬底端一起接地，则式( 2 3 ) 可改写为 ；q g ( g o s + 墅) ；a g ( + ，) ( 2 4 ) u g 其中 f ：堕：旦l a gc ，。 通过分析普通m o s 管器件方程，用v 。代替m o s 管的v 。，并替换相应的阈值 电压v ，导电因子b ，便可获得浮栅器件的特性方程 2 。假设 v r 朋= 0 cgvz c g ( 2 5 ) 6 第二章f l a s hm e m o r y 技术 ，g ；上b c g 0 【g 传统的m o s 管分别工作在线形区和饱和区时 t r 瞻。i 眈。- gl ( 2 6 ) k 吖吲k 丢吆】 s r 畴。i 眈。一j j r 。，；晏( y g ，一v r ) z 相应地，浮栅管分别工作在线形区和饱和区时 t r l 仅g 嘛+ 服一垆l ( 2 7 ) k 爷g 眩一垆胍- ( ，一去虼】 s r i 。i 0 【gi + p 么一巧i ( 2 8 ) k ：嬖a g + 胍一垆) z 观察式( 2 7 ) 和( 2 8 ) 可以得到： ( 1 ) 由于式( 2 7 ) 中存在厂矿。项，即使i ，i ci i ，浮栅管仍可能导 通，并存在导通电流； ( 2 ) 普通的m o s 管进入饱和区后沟道兴断，漏饱和电流i * 不再随漏源电压 v 。的变化而变化。浮栅管的源漏电流将随着漏端电压的增加而增加， 不会达到饱和状态； ( 3 ) 浮栅管线性区和饱和区边界条件为 i = o c g + 形。一i 而普通m o s 管的线性区和饱和区边界条件为i 5i = i s 一i ( 4 ) 浮栅管饱和区跨导 驴急k 一g p + 几一垆) 弦。) 7 江南大学硕士学位论文 从上式可以看出浮栅管的饱和区跨导随着v 。而增加，而普通m o s 管饱和区 跨导是独立于v 。的。 2 2e p r o m 与e e p r o m 存储单元 2 2 1e p r o m 存储单元 如图2 - 3 所示，e p r o m 存储单元有一个带浮栅的晶体管构成，单元存“0 ” 或“1 ”由浮栅上的电荷多少来决定。e p r o m 单元编程操作采用的是沟道热电子 发射原理，速度较快。编程时栅端加1 2 v 高压，漏端加5 v 电压。编程结束后， 浮栅上电荷较多，处于充电状态，此时我们定义e p r o m 单元存”1 ”。擦除操作时， 必须将芯片从目标系统移开并暴露在紫外光下，靠紫外光的作用把电荷从浮栅 上移走，擦除完毕浮栅处于放电状态，此时我们定义e p r o m 单元存“0 ”。e p r o m 因此也被称为紫外光e p r o m ( u l t r a v i o l e te p r o m ，u v e p r o m ) 。擦除速度较慢， 约1 5 分钟左右。鉴于该种擦除方式，e p r o m 封装时要芯片上方开石英窗口，成 本较高。 1 2 v 2 2 2e e p r o m 存储单元 t h i c kg a t eo x i d e 图2 - 3e p r o m 存储单元结构 典型的e e p r o m 单元结构如图2 4 所示。它利用f o w e r n o r d h e i m 隧道效应 原理实现擦写，即对于足够薄的氧化层，在1 0 7 v c m 左右的场强作用下，一定数 量的电子获得足够的能量后，将穿过二氧化硅的禁带进入硅的导带。当控制栅接 高压，而漏极接地时，电场的方向由浮栅指向n + 埋层，电子由n + 埋层到达浮栅； 当漏端接高压，而栅接地时，电场由漏极指向浮栅，浮栅上电子通过隧道氧化层 到达漏区。浮栅充电和放电两种状态时f l o t o xe e p r o m 存储管的阈值电压是不同 的，于是可以代表存入两种不同的状态，至于哪种状态代表“l ”，哪种状态代表 8 第二章f l a s hm e m o t y 技术 “0 ”可以人为规定。采用隧道效应擦写单元功耗较低，但擦写速度较慢。 c o n t r o l g a t e 臣互互罨争c o n t r o l g a t e 、_ ， 臣翌翟f l o a t i n g g a t e j 丁 j 圆 图2 - 4e e p r o m 存储单元结构 2 3f i a s hm e m o r y 单元工作原理 c o n t r o lg a t e f l o a t i n gg a t e i n t e r p o l y r m d t 咖。、|鲈 g a t eo x i d e ：、辫缀戮豳 一了r _ s o u r c ej d r a i n 、* i n t e r p o l yd i e l e c t r i c p s u b s t r a t e pm b s t r a t e ( a ) f l a s h 单元截面图( b ) f l a s h 单元剖面图 图2 - 5f t a s hm e m o r y 单元结构图 如图2 - 5 所示，f l a s h 存储单元主要由衬底、隧道氧化层、多晶浮栅( f g ) 、 栅问绝缘层和多晶控制栅( c g ) 组成。主要有两种技术来改变存储在f l a s h 存储 器单元的信息：沟道热电子注入( c h e ) 和f n 隧道效应。所有的闪速存储器都采 用f n 隧道效应来进行擦除。至于编程，有的采用c h e 方法，有的采用f n 隧道效 应方法。由于浮栅中电子的变化，存储单元的阈值电压也会随之而改变，如图 2 - 6 所示 5 。将浮栅中注入电子时，阈值电压升高，定义为“0 ”；将浮栅中电 子拉出定义为“l ”。 9 江南大学硕士学位论文 v 。 瀚a 图2 - 6f l a s h 单元i 。一v 6 曲线 2 3 1f i a s h 单元擦除( e r a s e ) 操作 一8 s 、 l o v op , 4 目 目 踅 罐 s u b 图2 7f l a s h 单元擦除操作 如图2 7 所示，在栅上加上一8 5 v 电压，衬底加高电压( 1 0 v ) 。浮栅上的电 子将通过隧穿注射到衬底端。于是所有的单元被同时擦除。单元初始阈值电压的 不同以及氧化层厚度的不同都会引起擦除操作结束时阈值电压的不同。这一点可 以从两方面来弥补：( 1 ) 在应用擦除脉冲之前，将阵列中的所有单元预编程，以 使所有单元阈值都从大致相同的值开始；( 2 ) 在此之后加上一个可控制宽度的擦 除脉冲，接着读整个阵列以检查这些单元是否已被擦除。如果尚未全部擦除，则 再应用另一个擦除脉冲，接着又是一个读周期。如此进行下去，直至所有单元的 阈值电压都低于所要求的电平。一般擦除时问在l o o m s 到1 s 之问。单元擦除时 1 0 第二章f l a s hm e m o r y 技术 问与v ，变化曲线如图2 - 8 6 一 一 1 0 51 0 41 0 。31 0 2 1 0 11 0 0 e r a s et i m el s l 图2 8v ，随擦除时间变化曲线图 2 3 2f ia s h 单元编程操作 9 v o v o v or - i 嗣 目 录、， v o l 1o o l l i 汁 i ir j 1 l l oo l l v - 4 5 v0 v 图2 - 9f l a s h 单元编程操作 编程单元就是我们通常所说的“写”单元操作 7 。如图2 - 9 所示，把一个 9 v 的高电压加在所选器件的栅上，漏端加4 5 v 电压，通过c h e 效应产生热电子 并将其注入到浮栅上，使闽值电压上升( 相当于使其变为一个总是关断的器件) 。 如果漏端不加电压，则浮栅仍保持在原来没有电子的状态，即相当于“1 ”状态。 编程前后单元闽值电压变化如图2 6 所示。为使阈值电压按所需从3 v 变化到 江南大学硕士学位论文 3 5 v ，一般必须加上范围在卜1 0ps 的脉冲。 2 3 3f i a s h 单元读操作 8 v 5 v o v 0 v oh 宙品 行、， v o l 1o o l l i 汁 7 l ir j oo l l o o 、 w l 0 w l l 0 8 vo v 图2 1 0f l a s h 单元读操作 对单元进行读操作过程与所有的n o rr o m 结构一样。如图2 1 0 所示，为选 择一个单元，将字线上升至5 v ，在选中单元漏端加一个0 8 v 左右的低电压，使 位线有条件地放电。根据漏端电流大小，读出单元的状态。 2 4f i a s hm e m o r y 阵列结构 随着单元结构的不断发展，单纯靠缩小单元面积来提高存储器的集成度变得 越来越困难。1 9 8 8 年，t o s h i b a 公司提出了n a n d 阵列结构，此后，f l a s h 阵列 结构的发展成为提高其集成度的主要方向。全球闪速存储器的主要供应商有 a m d 、a t m e l 、f u j i t s u 、s a m s u n g 等，由于各自技术的不同，阵列结构主要可分 为n a n d 和n o r 两大阵营。 2 4 1n o r 阵列技术 基于n o r 技术的f l a s hm e m o r y 是最早出现的f l a s hm e m o r y ，目前仍是多数 供应商支持的技术架构。它源于传统的e p r o m 器件，与其它f l a s hm e m o r y 技术 相比，具有可靠性高、随机读取速度快的优势，在擦除和编程操作较少而直接执 行代码的场合，尤其是纯代码存储的应用中广泛使用，如p c 的b i o s 、移动电话、 硬盘驱动器的控制存储器等。 n o r 型架构的电路如下图2 1 1 所示 8 ，在n o r 型架构中，每一行的存储单 元的栅端被连接到同一个字线( w o r d1 i n e ) 上，而每一列的存储单元的漏端被连 接到同一个位线( b i t1 i 1 3 e ) 上，这一存储段( ( s e c t o r ) 上所有存储单元的源端被 接在一起。根掘存储单元的字( w o r d ) 所包含的位( b i t ) 数，重复8 ( b i t l b i t 8 ) 第二章f l a s hm c m o r y 技术 次或1 6 ( b i t l 毋i t l 6 ) 次。在这种结构中，每两个单元共用一个位线触孔和一条 源线，采用c h e 写入和源极f n 擦除，具有高编程速度和高读取速度的优点，但 其编程功耗过大，在阵列布局上，接触孔占了相当的空问。通过布局的改善，在 n o r 的基础上又出现了d i n o r ( 图2 - 1 2 ) 9 等阵列结构。 w l 0 s l 0 w l l w l 2 s l l w l 3 w l 4 s l 2 w l 5 鞠a 蚋期f l i n e b l 0b l lb l 2b l 3 i ir 广l i ，。i l ，i ir 广 i i1 1 li il 1 ll il l l l 、 i l i l i ir il ir i 一一 l il 1i ll 1 l l ll l l i l ir j 一r j 一 l il 1 ll il ll il 1 l l l l lr jl lr 了l ir j， 。、i il lo 、i o l l 图2 - 1 1n o r 阵列结构 s o u r c el 轨量 图2 1 2d i n o r 阵列结构 2 4 2n a n d 阵列技术 图2 1 3 为n a n d 阵列结构电路图 1 0 。与n o r 阵列结构相同，n a n d 型每一 行的存储单元的栅端被连接到同一个字线( w o r dl i n e ) 上，但与n o r 阵列结构不 同的是，n a n d 阵列每一列位线( b i tl i n e ) 由多个存储单元串联而成，最终接地。 根据存储单元的字( w o r d ) 所包含的位( b i t ) 数，位线重复8 ( b i t l 一b i t 8 ) 次或 1 6 ( b i t l b i t l 6 ) 次。 1 3 江南大学硕士学位论文 n a n d 结构消除了传统的e e p r o m 中的选择管，并通过多位的直接串联，将每 个单元的接触孔减小到1 2 n ( n 为每个模块中的位数一般为8 位或1 6 位) 。因此， 大大缩小了单元尺寸。采用1u m 工艺可以得到4 2 3 4 1 1 m 2 b y t e ，即每单位1 1 7 l im 2 。n a n d 采用f n 机制进行编程和擦除操作。最大的缺点是多管串联，读取速 度较其它阵列结构慢。另外，由于不能采用负栅压擦除，编程时需加2 0 v 左右的 高电压，对可靠性不利。 4 拼r e1 一：= ： 。g a t e e= 】 = 】 ；g a t e 二】 e= 】 【= 】 2 ： c羔3 1 蹦i r= 了 = ；a t 2 ： _ _ _ _ - - _ _ _ _ 4 ou m b i tl i n e ( 8 l ) s g l ，砧m 1 c g 2 喜望2 c g 3 毒 c g 4 毒y 4 c g 5 删抖丢竺5 c g 6 毒m 6 c g 7 0 毒m 7 c g 8 毒m s 0 2 喑 s o u r c e 图2 - 1 3n a n d 阵列结构 s a m s u n g ，t o s h i b a 和f u j i s t u 支持n a n d 型架构技术f l a s hm e m o r y 。这种结 构的快闪式存储器适合于纯数据存储和文件存储，主要作为s m a r t m e d i a 卡、 c o m p a c t f l a s h 卡、p c m c i aa t a 卡、固念盘的存储介质，并正成为闪速磁盘技术 的核心。s a m s u n g 公司在1 9 9 9 年底采用了许多d r a m 的工艺技术，包括首次采用 0 1 5 ) m 的制造工艺来生产开发出世界上第一块i g bn a n d 技术闪速存储器。据称 这种f a s hm e m o r y 可以存储5 6 0 张高分辨率的照片或3 2 首c d 质量的歌曲，将 成为下一代便携式信息产品的理想媒介。 1 4 第二章f l a s hm e m o g 技术 4o 4 o l 1n a n d c e l l ( 1 2 + 9 t a m z ) ， 鳓掰圉溷跚 i 卜一2 5 ，8 i j m 一 g r o u n dr u l e ；( 1 0j i m ) 1 9 2u m 忑石斋叫3 6 图2 1 4n o r 阵列与n a n d 阵列面积对比 n o r 与n a n d 型阵列结构是当前f l a s h 存储器的两种主流架构，占据了f l a s h 存储器大部分市场。它们的性能比较如下：( 1 ) 面积：n o r 型阵列结构在所有阵 列结构中所占面积最大，n a n d 型阵列结构在所有阵列结构中所占面积最小，二 者面积对比如图2 1 4 所示 1 0 ；( 2 ) 读操作性能：n o r 型阵列结构支持随机读取， 且读取速度快，n a n d 型阵列结构支持顺序读取，顺序读取速度快，随机读取速 度很慢；( 3 ) 编程操作性能：n o r 型阵列结构采用热电子注入效应进行编程，编 程电流和所需功耗较大，n a n d 阵列结构采用f n 隧道击穿效应编程，编程电流和 所需功耗均较低；( 4 ) 擦除操作性能：n o r 型阵列结构和n a n d 型阵列结构都采用 f n 隧道击穿效应擦除；( 5 ) 应用场合：n o r 阵列结构是存储单元并联，因此具有 低电压源、读取速度快的优点，被广泛地应用于程式码的存储，比如p c 机上b o i s 程序存储，n a n d 阵列结构具有高密度、低成本的优点，可以用来储存资料，如 今m p 3 播放器、数码相机都采用n a n d 阵列结构。 2 5 论文中f i a s hi p 阵列结构 2 5 1 “虚地”阵列( v ir t u a ig r o u n d v g a ) 结构 传统的v g af l a s h 阵列结构如图2 1 5 所示。存储阵列单元为普通的浮栅结 构f l a s h 管，单元编程采用c h e 机制，采用栅和衬底之自j 的f n 效应实现擦除操 作。要读出图中标注单元的信息，字线w l t - 加5 v 电压，漏电压加l v 左右， 源端接地即可。图中l v 和o v 分另j ) j h 在d r a i n 端和s o u r c e 端。当对标注单元左 侧单元进行读操作时，s o u r c e 端加l v ，d r a i n 端接地。此时，s o u r c e 端变成了 位线。“虚地”的概念也由此而来，也就是说，阵列中没有固定的地线，不同工 作情况下，任何一根位线都可能被译码为地线。由于读操作时，对应单元总是源 端接地，因此，“虚地”结构也称为“虚源端”结构。 江南大学硕士学位论文 d r a i 并 ： i s s e l d v - 工工工 i几几 厂 5 v 工工 ) 南 i_ u八 o v i c e l l7 。 - 上工工 i_ l几几 挪u l “e 图2 1 5v g af l a s h 阵列结构示意图 从图2 1 5 可以看出，v g a 结构的最大特点：阵列中相邻列之间共用一根位 线，而且，相邻单元总是源漏相连。较普通n o r 阵列结构而言，由于减少了接触 和位线数目，v g h 结构使得存储单元和阵列的面积大大缩小，提高了单元