（微电子学与固体电子学专业论文）flash+memory中灵敏放大器的设计.pdf

f l a s hm e m o r y 中灵敏放大器的设计 摘要 自本世纪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，微电子技术已经成为整个信息时代的标志 和基础。可以毫不夸张地说，没有微电子就没有今天的信息社会。现在，电子 信息产业已经成为世界第一产业。毫无疑义，2 1 世纪将是信息化的世纪，因此 2 1 世纪的微电子技术将得到高速发展。在微电子这一大家庭中，有一个成员的 成长是有目共睹的，那就是快闪式存储器( f l a s h m e m o r y ) 。随着工艺水平的 不断提高，器件特征尺寸不断减小，从而使得f l a s h m e m o r y 在容量不断增大的 同时性能也在不断的改善。如今f l a s h m e m o r y 由于其自身的高速的优势而使得 它成为半导体存储器中不可或缺的一类产品，它在计算机、通讯和消费类电子 产品中的应用越来越广泛，越来越普遍。 本文在阐述了f l a s hm e m o r y 的结构和工作原理的基础上，分析了其外围电 路中的灵敏放大器的重要性和常用结构。然后着重论述了两种应用3 v 全c m o s f l a s hm e m o r y 中的全新结构灵敏放大器，并用i n n o s i s0 1 5 o n 工艺，对其进行 仿真，得到了不同条件下的仿真结果，结果表明新设计的全新灵敏放大器具有 电路结构简单，读取速度快等优点，完全能够满足f l a s hm e m o r y 的要求，达到 了预期的目标。 关键词：快闪式存储器；全c m o s ；灵敏放大器；仿真 d e s i g n o fs e n s e a m p l i f i e r i nf l a s hm e m o r y a b s t r a c t m i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g yh a sd e v e l o p e d r a p i d l ys i n c e t h et r a n s i s t o ra p p e a r e di n 19 5 0 s n o wi te n t e r st h ea g eo f u l t m l a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t ( u l s i ) a n ds y s t e m i n t e g r a t i o n ，i th a s b e e nt h es i g na n df o u n d a t i o no fw h o l ei n f o r m a t i o na g e i tc a nb es a i d t h a tt o d a y si n f o r m a t i o ns o c i e t yw o u l d n te x i s tw i t h o u tt h em i c r o e l e c t r o n i c s u n d o u b t e d l y ， 2 1 s tc e n t u r yw i l lb et h ec e n t u r yo f i n f o r m a t i o n ，s oi nt h e2 1 s tc e n t u r y ，m i c r o e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g yw i l lo b t a i nh i g h s p e e di m p r o v e m e n t i n t h el a r g ef a m i l yo f m i c r o e l e c t r o n i c s ， t h ea d v a n c e m e n to f o n eo f i t sm e m b e r sc a l lb es e e nb ya l lo f u s ，t h a ti sf l a s h m e m o r y f o l l o w i n g t h ee n h a n c e m e n t o f p r o c e s st e c h n o l o g y ，t h ef e a t u r es i z eo f d e v i c eb e c o m e s s m a l l e r ，w h i c hm a k et h ed e n s i t yo f f l a s hm e m o r ya n da tt h es a m et i m ep e r f o r m a n c e i m p r o v e d f l a s hm e m o r y b e c o m e sa n i n d i s p e n s a b l e k i n do f p r o d u c t so f s e m i c o n d u c t o r m e m o r i e sf o ri t sa d v a n t a g e o f h i g hs p e e d i t su s a g e si nt o d a y sc o m p u t e r 、c o m m u n i c a t i o n a n dc o n s u n l e re l e c t r o n i c sa r ew i d ea n dm o r e p o p u l a r t h i sa r t i c l ef i r s t l yd e s c r i b e st h es t r u c t u r ea n d o p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo faf l a s h m e m o r y a n d a n a l y z e s t h e c o m m o n l y u s e ds t r u c t u r e so fi t s p e r i p h e r a l c i r c u i t s - 一s e n s e a m p l i f i e r t h e ne m p h a s i z e so ni l l u s t r a t i n g t h e d e s i g n o ft w o n o v e ls t r u c t u r e so fs e n s ea m p l i f i e ra p p l i e di na3 vf u l l c m o sf l a s h m e m o r y ，a n d t h e ns i m u l a t et h e mu s i n gi n n o s i s0 15 a n p r o c e s st e c h n o l o g ya n do b t a i ns a r i s f y i n g s i m u l a t i o nr e s u l t su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t j o n s k e y w o r d s ：f l a s hm e m o r y ；f u l l - c m o s ；s e n s ea m p l i f i e r ；s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所最变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 王些盍堂或其他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。 学位论文作者签字：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、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 蟹至些太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 签字日期：年 月日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：年月日 电话 邮编 致谢 本论文是在合肥工业大学毛友德教授的悉心指导下完成的。毛老师学识渊 博、治学严谨，对科学有着浓厚的兴趣。他平易近人的工作作风和循循善诱的 师长风范，给我留下了深刻的印象，将使我终生受益。感谢导师的支持、培养 和无私的教诲! 该课题研究工作是在世宏科技( 苏州) 有限公司完成的。在课题研究期间， 世宏为我提供了良好的软、硬件环境。在同常生活中受到了世宏公司上下员工 的关照，特别是公司总裁叶兆屏博士也在百忙之中给我的课题研究工作予以具 体指导，在此向他们表示我由衷的感谢。特别要感谢郑坚斌工程师、朱美虹工 程师和王竞工程师在我的课题研究期间给予的帮助! 同时，感谢所有教育和帮助过我的老师，感谢他们在我成长的道路上给予 的教育、培养和关心! 作者：王强 2 0 0 4 年3 月 引言 集成电路( i c ) ，被誉为信息时代的稻米，电子产业的心脏。电予信息产 业( i t ) 是当今世界上最具竞争力的战略性产业，但一个国家缺乏自主知识产 权的集成电路( i c ) 是不可能加速提升这个国家的i t 产业，更不能指望i t 产 业在国民经济和国防安全中起到战略性的基础作用。集成电路和软件是i t 产业 发展的源头与创新的归宿，在整个电子信息产业中居于核心地位。经过4 0 多 年的不断发展，i c 产业已演变成新经济时代的基础产业，年产值超过两千亿美 元( 2 0 0 0 年) ，并在全球经济体系中扮演着至关重要的角色。几十年来，i c 一壹遵从摩尔定律：集成度每3 年增长4 倍，最小特征尺寸缩小30 ，而芯 片尺寸每年提高12 。 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。 存储器的种类很多，但现在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，m o s 型存储器更是得到了广 泛的应用，因为它集成度高，功耗低。半导体存储器一般包括m a s kr o m 、 e p r o m 、e 。p r o m 、s r a m 、d r a m 和f l a s h 等。上述半导体存储器由于各自 不同的特点而有不同的应用。快闪式存储器( f l a s h m e m o r y ) 是半导体存储器 中的重要一类，近年来，由于其快速的数据存取的特点使得其发展势头强劲， 现已广泛应用于移动电话、图象处理、电子通信等高新技术方面。由于便携式 设备的流行和高性能处理器的需要，作为其中重要组件的f l a s hm e m o r y ，设计 方向将是低功耗和高速度。 本课题是我校与世宏( 苏州) 科技有限公司的校企合作项目。根据世宏( 苏 州) 科技有限公司的要求，本文设计f l a s hm e m o r y 中最重要的外围电路灵敏放 大器，分析了f l a s h m e m o r y 中灵敏放大器的工作原理和基本思想一一电流转电 压，并给出了两种不同类型的灵敏放大器来实现读取数据过程。在设计中，我 们以高速和低功耗为目标，采用了不同的时序控制。通过e d a 软件h s p i c e 仿 真模拟，两种灵敏放大器均能达到预定要求。 第一章半导体存储器及其发展 为了更好地了解快闪式存储器( f l a s hm e m o r y ) ，本章先叙述半导体存储 器的发展及现状，介绍存储器大家庭的各个成员，并根据其特点将其分类，最 后着重阐述几种常见的半导体存储器单元。 1 1 半导体存储器的发展 半导体存储器件最早出现于2 0 世纪6 0 年代，到目前为止，已有超过4 0 年的发展历程，它们被广泛地应用于计算机、通讯等领域。f 1 a s hm e m o r y 出现 于1 9 8 4 年，由日本东芝( t o s h i b a ) 公司发明，是半导体存储器中的后起之秀， 现已成为应用最广泛的存储器之一。它以其独特的优点在存储器市场中占据一 席之地。在2 0 0 0 年，非挥发性存储器件市场份额占整个存储器件市场份额的 1 2 ，而f l a s hm e m o r y 则又占了非挥发性存储器件市场的5 0 。表l 一1 是 1 9 9 3 2 0 0 1 年存储器市场的产值表。 表1 119 9 3 2 0 01m e m o r ym a r k e t ( f i 2 u r e si nb $ 、 1 9 9 5 1 8 4 6 0 6 8 01 3 3 72 13 56 1 3 24 1 7 5 50 ，5 3 45 4 4 1 8 1 9 9 62 8 2 81 0 6 21 2 7 11 3 6 84 7 0 9 2 5 8 4 30 。5 7 73 7 6 5 9 i _ 糟墓囊2 9 9 4 一? _ _ _ _ 。 1 9 9 8 3 i 4 们 1 9 9 94 1 6 32 1 4 7 2 0 0 05 i9 22 6 0 10 6 5 9 1 0 2 98 4 7 96 8 6 5 70 1 0 28 7 6 3 6 i _ = | _ ”_ *u 一；曩_ ，、 2 0 016 2 8 0 ：3 。1 5 臻一；_ _ o 7 d 4 i 。蠹_ ：o 耋5 。曩11 3 霜9 誊一j 蠡2 i 囊囊秘毒疆；垂o 事jj 蓦瞄i i l2 堑曩 随着半导体工艺水平的提高，最小线宽从一开始的数十微米已发展到现在 的0 1 2 微米左右，甚至已开始尝试0 1 微米以下。可以预计半导体存储器的发 展将越来越迅速，主要体现在以下几个方面： 1 大容量：工艺水平的提高，使器件的特征尺寸缩小，从而使存储容 量的增加成为可能； 2 高速度：数据的存取时间，对于可读、写存储器来说，主要是指它 的读取数据时间( t a a ) ，是描述半导体存储器速度的一个 最重要的参数。数据的存取时间已从原来的几百纳秒发展 到现在的十几纳秒左右( 对于f l a s hm e m o r y 而言) ： 麓。黼 麓。_ 疆 纂獭 燃囊馘 瓣矧舔一 蠢。醺 蒸溪纛霉鳓鹾 $ 鹈_ 鹱 鬻，_ | 誊! 篱隧 _ 露_ 毹3 0 藜添一 z i 凄o 织醚一 n v u _ 疆黪 委n薯。；一u仃 =|鹳鬻 o o o 踺鳓34 ：够弧誊委= ：。谨 霸。：； 0 j d赫曩满 _ 1 l 3 低功耗：便携式产品如手机的大量出现和应用，使得半导体存储器 的工作电压越来越低，已从原来的5 伏左右降低到现在的 1 8 伏左右，同时，电源电压的降低又使得半导体存储器的 功耗越来越低。 图1 1 表示了2 0 0 0 年存储器的发展水平和对2 0 1 0 年的展望，清楚表明了 存储器件的发展趋势。我们将在下一节对各类常用的半导体存储器件作一简单 介绍。 d e n s i t y 尸b w e r p e rc h i p 图1 一l半导体存储器件的发展 2 0 1 0y e a r 1 2 半导体存储器件的分类 存储器的类型很多，有很多种划分方式。根据存储器读取数据的方式可分 为顺序存储器和随机存储器两大类，我们通常所说的磁带、v c d 、d v d 等都属 于顺序存储器，读取必须按照一定的顺序，而s r a m 、d r a m 属于随机存储 器，可以任意的读、写数据。一般来讲，顺序存储器存储大容量的数据，而随 机存储器多用在对速度要求较高的电路中。根据存储器所用的材料又可分为磁 性存储器、光电存储器和固态存储器。p c 中的硬盘、软盘都属于磁性存储器， d v d 、v c d 属于光电存储器，固态存储器就是利用n m o s 、c m o s 等电路来 存数据，d r a m 、s r a m 、f l a s h 就属于固态存储器。近几年来又涌现出一 种铁电存储器( f r a m ) ，利用自由原子只有两个稳定状态来存储数据。 半导体业界，一般将半导体存储器划分为两类：一类为挥发性存储器，另 一类为非挥发性存储器。挥发性存储器使用有源器件，存储的信息掉电后会消 失；但它可以同时提供读、写功能和有可比性的读、一写时间，因此它是最灵活 的一种存储器。静态随机存取存储器( s r a m ) 和动态随机存取存储器( d r a m ) 都属于挥发性存储器，但它们存储原理不同。其中，s r a m 是利用一个带正反 馈的触发器来存储数据信息的，而d r a m 是利用电容上的电荷来存储数据信息 的，由于电容存在一个电荷泄放的问题，所以对于d r a m 需定时刷新以弥补被 泄放的电荷，从而使存储的信息不被破坏，所以称之为动态r a m 。 2 非挥发性存储器的存储信息掉电后仍然存在，所以称这一类存储器为非挥 发性存储器，它主要被用于计算机、航空、远程通讯和消费类电子产品中，用 来存储程序和微代码。非挥发性存储器中所存储的数据信息可以是永久不变的 ( 理论上) ，或者是可编程的，这取决于存储器件的结构。它主要包括两大类 存储器：一类是只读存储器( r o m ) ，另一类为f l a s h 。在r o m 中，又可分为 掩模式r o m ( m a s kr o m ) 、可一次编程r o m ( p r o m ) 、可擦除可编程r o m ( e p r o m ) ( 这一类是指用极紫外光进行擦出的那一类e p r o m ) 和电可擦除 可编程r o m ( e 2 p r o m ) 。f l a s h 的全称是f l a s he 2 p r o m ，虽说它也属于电可 擦除可编程r o m 一类，但由于它近几年发展非常迅速且引人注目，所以一般 都把它单独归为一类，我们将在第二章阐述。 上述的划分可由图1 2 表示。 图1 2存储器的分类图 1 3 凡种常见的半导体存储器件 下面简略介绍几种较常见的半导体存储器的特点和现状。 1 3 1 挥发性存储器 1 3 1 1 动态随机存取存储器 动态随机存取存储器( d r a m ) 存储单元的存储结构及工作原理： d r a m 主要有一管单元和三管单元两种，其电路结构如下图1 3 所示。现以一管单元为例，介绍d r a m 的工作原理。写操作时， 字线( r o w ) 为高，通过位线( c o l u m n ) 强行对存储电容进行 充放电，当位线为高时对c l 充电，使存储单元为“1 ”；当位线 3 r e a d w r i t e 为低时c 1 放电，使存储单元为“0 ”。读操作过程将在第三章介 绍。此外我们注意到当字线为低时，电容c 1 被绝缘，存储单元内 容被保存。但是由于漏电流的作用，电荷会流走，所以d r a m 需 要定时刷新来保持存储单元的内容。 酬一 c o l u 鹾n 上 乒 上 工 图1 3 a一管单元的d r a m c o l u m n c a 黼c 删c e l d e 可1 6 r w r i 协 d a t a 图1 3 b 三管单元的d r a m r e a d d a t a 优点：高密度和每位的低成本是d r a m 最主要的优点，它是产量 最高的挥发性存储器。 缺点：由于需要对电容进行充放电来进行读写，速度较慢，且定 时刷新需消耗较多的功耗。 现状：d r a m 速度比较慢的缺点也出于许多新技术的运用而得到 了改善，如同步d r a m ( s d r a m ) 的出现，其刷新速度可达到 8 k 6 4 m s ，它在保持了d r a m 的单管单元的高密度的优势的同时 还拥有快速的特点，现被广泛地用作计算机中的主存。 4 1 3 1 2 静态随机存取存储器 静态随机存取存储器( s r a m ) 存储单元的存储结构及工作原理： s r a m 由一个双稳态的触发器和两个开关管组成，如图1 4 所示。 存储单元的内容被存储在触发器中。它的内容不会像d r a m 一样 会漏走，所以它不需要定时刷新。 w- 乙 w o r dl i n d b b i 图i 4 六管单元的s r a m b 由图1 - 5 来介绍s r a m 的读写操作。无论读写操作，字线( w o r d l i n e ) 都为高，选中所要操作的单元，读操作时将位线( b 和百) 接入灵敏放大器，比较两端的电压，得到存储单元的数据，具体 的分析将在第三章介绍。写操作时将两位线接入如图1 5 b 所示 的写电路，由于写电路的驱动能力强于触发器的驱动能力，数据 被强制写进存储单元。 图1 5a 读操作 5 图1 5b 写操作 优点：低功耗，高速度，由于s r a m 不需要定时刷新，所以较之 d r a m 功耗低。 缺点：存储容量约为d r a m 的四分之一，因此每位的成本就约为 d r a m 的四倍。 现状：由于工艺水平的提高，器件几何尺寸的缩小及电路结构的 改进而得到了很大的增长，存储密度每三年增加四倍，存储容量 现己可达到1 8 m 位，速度可达3 n s ，有效地改善了s r a m 存储容 量小的缺点。高速、高存储容量的s r a m 主要用作为超级计算机 中的主存、小型机和工作站中的缓存、超大规模集成电( v l s i ) 测试设备中的测试码模式存储器，同时它还被广泛应用于远程通 讯如人造卫星，和消费类电子产品如移动电话、存储卡、笔记本 电脑、数码照相机和打印机中。 1 3 2 非挥发性存储器 1 3 2 1 掩模式只读存储器 掩模式只读存储器( m r o m ) 的结构和制作：m r o m 的结构如图 1 - 6 所示，m r o m 的编程是在集成电路制造中完成的，将需要的 晶体管用金属连接到位线上，因此它一旦被编程就无法修改。 优缺点：m r o m 的优缺点在于它的产量，当需求很大，产量很高 时，它是最经济的，成本最低的。但是如果产量低，其经济效益也 就会很差。另外，它只可以一次编程，灵活性差。 应用：m a s kr o m 的一个典型运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。 。 a 0 a 1 a 2 m 0m lm 2m 3 m 4m 5 m 6m l 图l 一6 m r o m 的电路结构 6 d e c o d e r e d a t a 0 1 0 2 0 3 1 3 2 2 可一次编程r o m 可一次编程r o m ( p r o m ) 的结构和制作p r o m 的结构如图l _ 7 所示，它可以让客户根据自己的需要进行编程，一般是在它的存储 单元中加入一些熔丝( 可以是镍铬合金、多晶硅或其他导体) ，然 后就根据需要通过器件编程器给某些熔丝加上大的电流使其熔断 而使与器件连接的晶体管失效，从而达到编程的目的。 a 0 a 1 a 2 m om 1m 2 m 3m 4 m 5 m 6m 7 图1 7 p r o m 的电路结构 特点：可编程但只能编程一次。如果在编程中出现的一个小小的错 误，就会让整个器件报废。 应用：被用于最后的系统测试和调试。 1 3 2 3极紫外线光可擦除电可编程r o m 极紫外线光可擦除电可编程r o m ( u v p r o m 或者e p r o m ) 的存储 单元结构及编程原理：e p r o m 的核心部件就是一个悬浮栅晶体管 ( f l o a t i n gg a t et r a n s i s t o r ) ，其结构如图i - 8 所示。悬浮栅晶体管的 图1 - 8 悬浮栅晶体管的截面示意图 7 最重要的特性是它的闽值电压的可编程性，具体的理论参见附录。 它的编程、擦除如图1 - 9 所示，编程时在栅源和漏- 源之间分别加 上15 - 2 0 v 的高电压，则产生的强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”( h o t e l e c t r o n ) 并穿过 第一层氧化绝缘层，被浮栅俘获，这就称之为浮栅晶体管的编程过 程，如图1 9 a 所示；u v p r o m 就是通过极紫外线光来进行擦除的， 极紫外线光通过在氧化层内直接产生电子空穴对而致使其轻微地 导电，将存储在浮栅上的电子泄放掉，达到擦除的目的，如图l 一9 b 所示。 图1 9ae p r o m 的编程过程图1 9b 擦除过程 优点：1 保存数据时间长：由于浮栅的四周被绝缘性能优良的二氧化 缺点 应用 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持很多年( 一般为十年左右) 。 2 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，这使得其在制造大容量存储器时成本较 低。 擦除速度慢，根据极紫外线光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取出，放到 特定的装置中用极紫外线光进行擦除，且只能进行全部擦除， 很不方便。此外这种存储器还存在擦除次数有限的缺点，一般 仅可擦除1 0 0 0 次左右。 适宜用于制造大容量且不需要经常编程的存储器。 1 3 2 4电可擦除可编程r o m 电可擦除可编程r o m ( e 2 p r o m ) 的存储单元结构及编程原理： e 2 p r o m 的核心部件也是一个悬浮栅晶体管，其结构如图1 1 0 所示。 此结构与图1 8 所示的结构很相像，只是用来使浮栅与沟道和漏极隔 8 离的部分绝缘层的厚度减小到1 0 纳米或更低。当在薄的氧化层上加 上1 0 v 左右的电压时，电子通过f n 隧穿效应( f o w l e r n o r d h e i m t u n n e l i n 9 1 到达浮栅并被其俘获，完成编程操作。此隧穿效应的i - v 曲线如图1 1 1 所示。由图可见，只要将编程时的电压反向就可实现 擦除过程。 图1 10 悬浮栅隧道氧化层晶体管 优点： 1 编程机构的主要优点是其可逆性。 2 擦除速度快，可支持1 0 5 擦除，编程周期和可有选择的进行 擦除编程。 缺点：1 不足之处在于存在如何控制阈值电压的问题，当注入电子 到达浮栅上时，会增大器件的阈值电压，而当进行擦除操 作时，又会降低v t ，从浮栅上移去过多的电子，将会导致 耗尽型器件的产生，从而使得标准的字线电压无法关断器 件，引起错误操作，所以e 2 p r o m 的存储单元中都包括两 个晶体管，一个为浮栅晶体管，用作为存储管，另一个为 普通的晶体管，由字线控制，用作为开关管，如图1 - 1 2 所 示 jl l o v 1 1 r 1 0 v b r l l ， 1 l 1 、 v 叫一 专 图1 - 1 1 y 特性曲线图1 - 1 2 e z p r o m 存储单元 9 2 e 2 p r o m 比u v p r o m 存储单元所占的面积大，且e 2 p r o m 中特殊结构的浮栅晶体管的造价很高并难以制造，这些都 使得e 2 p r o m 的每位的成本比u v p r o m 高且存储容量比 u v p r o m 小。 应用：作为配置数据和引导代码的存储器。 1 3 2 5f l a s he 2 p r o m f l a s he 2 p r o m 属于e 2 p r o m 的- - 0 0 ，但其编程擦除机制与e 2 p r o m 不 同，f l a s h 的擦除采用的是与e 2 p r o m 相同的f n 遂穿效应( f o w l e r n o r d h e i m t u n n e l i n g ) ，而编程采用的是与e p r o m 相同的机制即热电子注入效应 ( h o t e l e c t r o n i n j e c t i o n ) 或者是f n 遂穿效应( f o w l e r n o r d h e i mt u n n e l i n g ) ，具体 的分析将在第二章阐述。f l a s h 具有非挥发性、高集成度的特点，结合多种存 储器件的优点，如下图】一】3 所示。我们将在第二章详细介绍快闪式存储器。 图1 - 1 3f l a s h 的特点示意图 1 4 小结 - k s r a m 与d r a m 的比较： 1 持久性：d r a m 需要刷新电路定时刷新数据。s r a m 是静态的，只要 不关闭电源，其存储数据就一直存在。 2 复杂性：由于d r a m 需要一刷新电路，所以d r a m 电路较s r a m 复杂。 1 0 3 存储单元：d r a m 存储电荷在电容上，而s r a m 则将数据保存在触发器 中。 4 速度：d r a m 比s r a m 速度慢。 5 集成度：d r a m 比s r a m 集成度高。 6 功耗：d r a m 比s r a m 有更大的功耗。 7 成本：d r a m 成本低，s r a m 成本高。 e p r o m 、e e p r o m 与f l a s h 编程、擦除机制比较： 表l - 2 e p r o m 、e e ! 垦q y 与f l a s h 编程、擦除机制比较 e p r o m 热电子注入紫外线擦除 ( h o t e l e c t r o n - i n j e c t i o n ) e e p r o mf n 隧穿效应( f o w l e r n o r d h e i mf n 隧穿效应 t u n n e l i n g )( f o w l e r - n o r d h e i m t u n n e l i n g ) f l a s h 热电子注入f n 隧穿效应 n o r 架构( h o t e l e c t r o n i n j e c t i o n l ( f o w l e r n o r d h e i m t u n n e l i n g ) f l a s h f n 隧穿效应( f o w l e r n o r d h e i mf n 隧穿效应 n a n d 架t u n n e l i n g ) ( f o w l e r - n o r d h e i m 构tunneling) 各常见的m e m o r y 性能比较： 表1 3 各种常见的m e m o r y 性能比较 d 黝肘h i g h f a s ts m a l l c h e a p y e s s r a ml o w v e r yf a s tl a r g ec o s t l y y e s m r o mh i 曲 v e r yf a s t s m a l l c h e a p n o ，胄d fh i g h v e r yf a s t m o d e r a t e c h e a p n o e p r o m v e r y h i g h f a s ts m a l l c h e a p n o e e p r o mm e d i u mf a s tm o d e r a t e c h e a p n o 删s h v e r yh i g h v e r yf a s tl a r g ec h e a p n o 第二章快闪式存储器的架构类型和结构组成 上一章我们讲述了几种较常见的存储器的电学特点及现状，本章将重点介 绍快闪式存储器( f l a s hm e m o r y ) 。首先介绍它的发展及现状，然后讲述f l a s h m e m o r y 中的几种架构类型，最后得出f l a s h m e m o r y 的基本结构，为第三章的 灵敏放大器作铺垫。 2 1快闪式存储器特点及发展趋势 2 1 1快闪式存储器的特点及应用 1 非挥发性：快闪式存储器是非挥发性存储器n v m ( n o n v o l a t i l e m e m o r y ) ，即使在供电电源关闭后仍能保持片内信息：而诸如 d r a m 、s r a m 这类挥发性存储器，当供电电源关闭时片内信息随 即丢失。 2 f l a s hm e m o r y 具有其它非挥发性存储器的特点： ( a ) 与e p r o m 相比较，快闪存储器具有明显的优势电可擦除 和可重复编程： f b ) 与e e p r o m 相比较，快闪存储器具有成本低、密度大的特点。 3 应用：其独特的性能使其广泛地运用于各个领域，包括嵌入式系统， 如p c 机外设、电信交换机、蜂窝电话、网络互联设备、仪器仪表 和汽车器件，同时还包括新兴的语音、图像、数据存储类产品，如 数字相机、数宁录音机和个人数字助理( p d a ) 。 2 1 2 快闪式存储器的现状及发展趋势 1 现状：世界快闪存储器市场发展十分迅速，其规模接近d r a m 市场的 1 4 ，与d r a m 和s r a m 一起成为存储器市场的三大产品。f l a s h m e m o r y 的迅猛发展归因于资金和技术的投入，高性能低成本的新产 品不断涌现，刺激了f l a s h m e m o r y 更广泛的应用，推动了行业的向前 发展。 2 发展趋势：存储器的发展都具有更大、更小、更低的趋势，这在快闪 式存储器行业表现得尤为淋漓尽致。( 1 ) 借助于先进工艺的优势，f l a s h m e m o r y 的容量可以更大：n o r 技术将出现2 5 6 m b 的器件，n a n d 和 a n d 技术已经有1 g b 的器件：( 2 ) 随着半导体制造工艺的发展，主流 快闪式存储器厂家采用0 18 儿m ，甚至0 15 1 x m 的制造工艺。同时芯片 的封装尺寸更小：从最初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 hm e m o r y 已经变得非常纤细小巧；f 3 ) 先进的工 艺技术也决定了存储器的低电压的特性，从最初1 2 v 的编程电压，一 1 2 步步下降到5 v 、3 3 v 、2 7 v 、1 8 v 单电压供电，具有更低的功耗。 这符合国际上低功耗的潮流，促进了便携式产品的发展。 另一方面，新技术、新工艺也推动f l a s hm e m o r y 的位成本大幅度 下降：采用n o r 技术的i n t e l 公司的2 8 f 1 2 8 j 3 价格为2 5 美元，n a n d 技术和a n d 技术的f l a s hm e m o r y 将突破1 m bl 美元的价位，使其具 有了取代传统磁盘存储器的潜质。 2 2快闪式存储器的架构 和其他的存储器件一样，芯片的面积直接影响生产成本，因为这个原因， 设计者设计出几种不同的f l a s hm e m o r y 架构类型，以此来满足不同的功能或应 用上的需求。f l a s hm e m o r y 主要有n o r 、n a n d 、a n d 和d i n o r 等架构类型， 各有其不同特性。目前以n o r 和n a n d 型为主流，a n d 和d i n o r 型的使用 比例相对较低。本节主要分析n o r 和n a n d 型架构技术，对a n d 和d i n o r 作简单的介绍。 2 2 1n o r 型架构 n o r 型( 亦称为l i n e a r 技术) 架构电路：n o r 型架构的电路如下图2 1 所示，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 dl 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 t l i n 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。根据存 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 s ) 次或 16 ( b i t l b i t l 6 ) 次。 甾t 1b h 2b h 3 图2 - 1n o r 型架构 n o r 技术架构的f l a s hm e m o r y 特点： 1 3 ( a ) 能快速随机读取，允许系统直接从f l a s h 中读取代码执行，而无需 先将代码下载至r a m 中再执行： f b l 可以单字节或单字编程，但不能单字节擦除，必须以块为单位或对 整片执行擦除操作，在对存储器进行重新编程之前需要对块或整片 进行预编程和擦除操作； ( c ) 由于采用n o r 技术的f l a s hm e m o r y 擦除和编程速度较慢，而块尺 寸又较大，因此擦除和编程操作所花费的时间很长，在纯数据存储 和文件存储的应用中，n o r 技术显得力不从心。 n o r 型快闪式存储器现状及应用：n o r 技术快闪式存储器是最早出现 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。主要应用在 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 固件、移动电话、硬盘驱动器的控制存储 器等。i n t e l 公司的s t r a t a f l a s b 家族中的最新成员2 8 f 1 2 8 j 3 ，是迄 今为止采用n o r 技术生产的存储容量最大的闪速存储器件，达到 1 2 8 m b ( 位) ，对于要求程序和数据存储在同一芯片中的主流应用是一 种较理想的选择。 2 2 2n a n d 型架构 n a n d 型架构电路：n a n d 型架构的电路如下图2 - 2 所示，与n o r 型 架构相同，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 型架构不同的是，n a n d 型架构每一列位线 ( 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 b i t 8 ) 次或1 6 ( b i t l - b i t l 6 ) 次。 b i t lb 比2 图2 - 2n a n d 型架构 n a n d 技术架构的f l a s h m e m o r y 特点： 1 4 ( a ) 以页为单位进行读和编程操作，1 页为2 5 6 b 或5 1 2 b ( 字节) ；以 块为单位进行擦除操作，1 块为4 k 、8 k 或1 6 k b 。具有快编程和快 擦除的功能。 ( b ) 实现串行读取。随机读取速度慢且不能按字节随机编程。 ( c 1 芯片尺寸小，引脚少，是位成本( b i tc o s t ) 最低的固态存储器，将 很快突破每兆字节1 美元的价格限制。 ( d ) 芯片包含有失效块，其数目最大可达到3 3 5 块( 取决于存储器密 度) 。失效块不会影响有效块的性能，但设计者需要将失效块在 地址映射表中屏蔽起来。 n a n d 型快闪式存储器现状及应用：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、固态盘的存储介质，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 15 9 m 的制造工艺来生产开发出世界上第一块1 g bn a n d 技术闪速 存储器。据称这种f l 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。 2 2 3d i n o r 型架构 d i n o r ( d i v i d e db i t l i n en o r ) 型架构电路：d i n o r 技术是m i t s u b i s h i 与h i t a c h i 公司发展的专利技术，从一定程度上改善了n o r 技术在写性 能上的不足。d i n o r 型架构的电路如下图2 - 3 所示，与n o r 型相比， 它有两条位线，一条主位线( m a i n b i tl i n e ) ，一条次位线( s u bb i tl i n e ) 。 s o i l l 屯ol i n e 图2 - 3d i n o r 型架构 d i n o r 技术架构的f l a s hm e m o r y 特点： ( a )和n o r 技术一样具有快速随机读取的功能，按字节随机编程的 速度略低于n o r ，而块擦除速度快于n o r 。 1 5 m 1d i n o r 技术f l a s hm e m o r y 在执行擦除操作时无须对页进行预 编程，且编程操作所需电压低于擦除操作所需电压，这与n o r 技术相反。 d i n o r 型快闪式存储器现状及应用：尽管d i n o r 技术具有针对n o r 技术的优势，但由于自身技术和工艺等因素的限制，在当前闪速存储器 市场中，它仍不具备与发展数十年，技术、工艺日趋成熟的n o r 技术 相抗衡的能力。目前d i n o r 技术f l a s hm e m o r y 的最大容量达到6 4 m b 。 2 2 4a n d 型架构 a n d 型架构电路：a n d 技术是h i t a c h i 公司的专利技术。a