（微电子学与固体电子学专业论文）非挥发性半导体存储器技术研究.pdf

r e s e a r c ho nn o n - - v i t a l i t ys e m i c o n d u c t o r m e m o r yt e c h n o l o g y 4d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s h a n d o n gu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i c d e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e b y w a n gz h e n g 1 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：乏逸 e l期：鲨尘：三：登 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 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、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：至随导师签名： 一 山东大学硕士学位论文 目录 摘要。i e s t r a c t v i 英文缩略语对照v i i i 第一章绪论1 第二章非挥发性存储器存储单元概述5 2 1 非挥发性存储器存储单元基本原理和结构一5 2 2 低维非挥发性存储器7 2 3o t p 存储单元的基本结构1 0 2 4o t p 存储阵列的结构。1 2 2 5o t p 存储单元的读写操作1 4 2 5 1o t p 存储单元的读操作1 4 2 5 2o t p 存储单元的写操作1 6 2 6 本章小结1 7 第三章非挥发性o t p 存储器阵列及系统架构1 8 3 13 2 mo t p 存储阵列结构1 8 3 2o t p 存储器系统模块图1 9 3 3o t p 存储器的读写时序图2 0 3 4 本章小结2 1 第四章非挥发性o t p 存储器电路模块设计。2 2 4 1 基于阵列的延时计算2 2 4 1 1 存储单元延时模型2 2 4 1 2 字线延时模型及延时计算。2 3 4 1 3 位线延时模型及延时计算2 4 4 2 译码器电路设计和实现2 7 4 2 1 字线译码器设计2 7 4 2 2 位线译码器设计3 2 4 3 灵敏放大器电路( s e n s ea m p l i f i e r ) 3 9 山东大学硕士学位论文 4 4a t d 电路设计4 4 4 5 控制逻辑电路的设计4 9 4 6电源管理模块的设计5 2 4 7 本章小结5 3 第五章o t p 存储器版图设计和物理实现5 5 5 1 版图的布局布线介绍5 5 5 1 1 布局规划( f l o o rp l a n n i n g ) 和布线( r o u t i n g ) 5 5 5 1 2 模拟单元的布局布线介绍5 6 5 1 33 2 mo t p 存储器最终版图。5 8 5 2 各个模块的版图设计5 9 5 2 1 译码器版图实现5 9 5 2 2 灵敏放大器版图实现6 2 5 2 3a t d 版图实现6 3 5 2 4 控制逻辑版图实现。6 3 5 2 5 电源管理模块版图实现6 4 5 3 本章小结6 6 第六章结论6 7 6 1 论文总结6 7 6 2 深入工作设想6 8 参考文献7 0 致 射7 6 山东大学硕士学位论文 t a b l eo fc o n t e n t s a b s t r a c t i o n ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t i o n v i l i s to f a b b r e v i a t i o n s v i i i c h a p e r1 i n t r o d u c t i o n 1 c h a p e r2 i n t r o d u c t i o no f n v m c e l l 。5 2 1n v mc e l ls n l l c c u r e j 5 2 2l o wd e m e n s i o nn v md e v i c e ，j j f 2 3o t pc e l ls t r u c t u r e 1 0 2 4o t p a r r a ys t r u c t u r e 1 2 2 5o t pr e a da n dw r i t eo p e r a t i o n 1 4 2 5 1o t pr e a do p e r a t i o n 1 4 2 5 2o t pw r i t eo p e r a t i o n 1 6 2 6s u m m a r y 17 c h a p e r3 o t pm e m o r ya r r a y a n ds y s t e ma r c h i t e c t u r e 18 3 13 2 mo t pm e m o r y a r r a ys t r u c t u r e 1 8 3 2o t pm e m o r ys y s t e mm o d u l e 1 9 3 3o t pm e m o r yr e a da n dw r i t et i m i n g 2 0 3 4s u m m a r y 2 1 c h a p e r4 o t pm e m o r ym o d u l ei m p l i m e n t a t i o n 2 2 4 1a r r a yd e l a yc a l c u l a t i o n 2 2 4 1 1m e m o r yc e l ld e l a ym o d e l 2 2 4 1 2w o r d l i n ed e l a ym o d e la n dd e l a yc a l c u l a t i o n 2 3 4 1 3b i t l i n ed e l a ym o d e la n dd e l a yc a l c u l a t i o n 2 4 4 2d e c o d e rm o d u l ed e s i g na n di m p l i m e n t a t i o n 2 7 4 2 1w o r d l i n ed e c o d e rd e s i g n 2 7 4 2 2b i t l i n ed e c o d e rd e s i g n 3 2 4 3s e n s ea m p l i f i e rm o d u l ed e s i g n 4 0 4 4a t dm o d u l ed e s i g n 4 4 i l l 山东大学硕士学位论文 4 5 c o n t r o ll o g i cm o d u l d e s i g n 5 0 4 6p o w e rm a n a g e m e n tm o d u l ed e s i g n 5 2 4 7s u m m a r y 5 3 c h a p e r5 o t pm e m o 巧p h y s i c a ld e s i g n 5 5 5 1f l o o r p l a n n i n ga n dr o u t i n gi n t r o d u c t i o n 5 5 5 1 1f l o o rp l a n n i n ga n dr o u t i n g 5 5 1 ；1 2a n a l o gm o d u l el a y o u ti m p l i m e n t a t i o n 5 6 5 1 33 2 mo t pm e m o 巧l a y o u ta r c h i t e c t u r e 5 9 5 2m o d u l e sl a y o u ti m p l i m e n t a t i o n 5 9 5 2 1d e c o d e rm o d u l el a y o u ti m p l i m e n t a t i o n 6 1 5 2 2s am o d u l el a y o u ti m p l i m e n t a t i o n 6 2 5 2 3a t dm o d u l el a y o u ti m p l i m e n t a t i o n 6 3 5 2 4c o n t r o ll o g i cm o d u l el a y o u ti m p l i m e n t a t i o n 6 3 5 2 5p o w e rm a n a g e m e n tm o d u l el a y o u ti m p l i m e n t a t i o n 6 4 5 3s u m m a r y 6 6 c h a p e r6 c o n c l u s i o n 6 7 6 1c o n c l u s i o n 6 7 6 2f u t u r ew b r l ( 6 8 i 之e f f e i 吲c e s 7 0 p u b l i c a t i o n s 7 6 p r o j e c t sp a i 之t i c i p a n t 7 6 a c k n o w i ，f d g f ：m e n t 7 7 i v 山东大学硕士学位论文 非挥发性半导体存储器技术研究 摘要 随着集成电路的集成密度和性能高速发展，其对半导体存储器的性能指标提 出了更高的要求，对大容量、高性能、高密度和低功耗的半导体存储器的追求使 得存储器电路设计面临艰巨的任务。本论文以国内自主研发的非挥发性半导体存 储器工艺o t p ( o n e t i m ep r o g r a m m a b l em e m o r y , o t p ) 存储单元为基础，主要 研究了非挥发性半导体存储器芯片的电路设计方法，完成了一款3 2 m 容量、8 b i t 数据宽度、2 2 位地址总线、6 0 n s 读取速度的o t p 半导体存储器芯片设计。 论文从系统级、模块级、电路级和物理级对非挥发性存储器芯片设计中的关 键设计技术进行了研究。论文首先对非挥发性存储器存储单元的存储特性进行研 究，根据o t p 存储单元和存储阵列的特性，提出合理的芯片性新能指标，对芯片 进行功能定义和模块划分，接着对芯片的各个模块进行电路设计，最后完成各个 模块的物理版图实现。 论文中设计了一种高密度的译码器电路架构，同时针对阵列提出了解决读取 和编程时存在的阵列横向导通电流问题。设计了具有双参考支路能提高读取速度 的负载型灵敏放大器电路构架，同时提高了灵敏放大器的精确度。完成了其他主 要模块如电源管理模块，a t d 模块，数字控制逻辑电路的设计。 结合版图布局布线基本方法，对各个模拟模块物理版图的实现进行优化，提 高存储密度，增加了芯片的利用率，在数字控制逻辑设计时采用标准单元来综合 产生电路。版图设计时，对整个系统合理布局布线，使得系统具有高密度、速度 快、存储单元之间串扰小、高压电路负载小、系统面积小、布局合理、信号完整 性和对称性好等优点。 最终对芯片的后仿真测试结果表明基于该o t p 存储单元的非挥发性半导体 存储器与国外同等工艺条件下的产品性能相当。本论文的研究成果在非挥发性存 储器领域中有着广阔的应用前景和技术优势，对国内非挥发性存储器自主核心技 术的积累起到推动作用。 关键词：非挥发性半导体存储器；f l a s h ；o t p ；译码器；灵敏放大器；a t d 山东大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nn o n v o l a t i l es e m i c o n d u c t o r m e m o r yt e c h n o l o g y a b s t r a c t a st h eh i g h s p e e dd e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e dc i r c u i t si ni n t e g r a t i o nd e n s i t ya n d p e r f o r m a n c e ，i tr e q u i r e sh i g h - p e r f o r m a n c es e m i c o n d u c t o rm e m o r y , e s p e c i a l l yi ns o c s y s t e m s t h ep u r s u i to fh i g h - c a p a c i t y , h i g h - p e r f o r m a n c e ，h i g h d e n s i t ya n dl o wp o w e r c o n s u m p t i o n o fs e m i c o n d u c t o rm e m o r ym a k e sm e m o r yr e l a t e dc i r c u i t d e s i g n e n g i n e e rm u s t f a c et r e m e n d o u s p m s s u r e i nt h i sp a p e r , w ei n t r o d u c e an e w s e l f - d e v e l o p e dn o n v o l a t i l es e m i c o n d u c t o rm e m o r yp r o c e s s ，u s ei t so t p ( o n e - t i m e p r o g r a m m a b l em e m o r y , o t p ) m e m o r yc e l l t od e v e l o pa3 2 mo t pn o n - v o l a t i l e s e m i c o n d u c t o rm e m o r yc h i pa n dd os o m er e s e a r c ho nm e m o r yr e l a t e di n t e g r a t e d c i r c u i td e s i g nm e t h o d o l o g y f i n a l l y , w ec o m p l e t ea no t ps e m i c o n d u c t o rm e m o r y c h i pw h i c hh a s3 2 mc a p a c i t y , 8 b i t sd a t aw i d t h ，2 2 - b i t sa d d r e s sb u s ，6 0 n sa c c e s st i m e i nt h i sp a p e r , w ed e s i g nt h i sn o n v o l a t i l em e m o r yc h i pi ns y s t e ml e v e l ，m o d u l e l e v e l ，c i r c u i tl e v e la n dp h y s i c a ll e v e l w ef i r s tr e s e a r c ht h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eo t p m e m o 巧c e l l t h e na c c o r d i n gt ot h e f e a t u r eo ft h eo t pm e m o r ) ，c e l la r r a y sa n d m e m o 拶c e l l ，w ed e t e r m i n et h es p e c i f i c a t i o n sa n dt h em o d u l e so ft h ec h i p f i n a l l y , w e d e s i g nt h ev a r i o u sm o d u l e so ft h ec h i pa n df i n i s ht h el a y o u to fe a c hm o d u l e i nt h i sp a p e r , an o v e lh i g h - d e n s i t ya d d r e s sd e c o d e ra r c h i t e c t u r ei s p r o p o s e dt o a v o i dm e m o r ya r r a y sl a t e r a lc o n d u c t i n gc u r r e n ti nr e a d i n ga n dp r o g r a m m i n gm o d e i no r d e rt oe n h a n c et h es y s t e m sr e l i a b i l i t yi nc i r c u i tl e v e l ，ad o u b l er e f e r e n c el i n e s e n s ea m p l i f i e ri sc o n c e i v e dt oi m p r o v et h ea c c e s st i m ew h i l en o td e c r e a s i n gt h e a c c u r a c yo ft h es e n s ea m p l i f i e r t h e n ，o t h e rf u n c t i o nm o d u l e ss u c ha sp o w e r m a n a g e m e n tm o d u l e ，a t dm o d u l e ，c o n t r o l l o g i cm o d u l ea n ds oo na r ei m p l e m e m e d a c c o r d i n gt ot h em e t h o d so ff l o o r p l a n n i n ga n dr o u t i n g ，e a c ha n a l o gm o d u l ei s b e i n go p t i m i z e di np h y s i c a li m p l e m e n t a t i o n ，t h i si m p r o v et h em e m o 巧d e n s i t y , i n c r e a s et h eu t i l i z a t i o no ft h ec h i p t h ed i g i t a lm o d u l e sa r eb u i l tu s i n gs i m p l es t a n d a r d v i - 山东大学硕士学位论文 c e l ll i b r a r yv i ac i r c u i ts y n t h e s i z i n ga n da u t of l o o r p l a n n i n ga n dr o u t i n g g o o dp h y s i c a l d e s i g nm e t h o d se n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo f t h ec h i p p o s t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sc h i ph a st h es a m ep e r f o r m a n c ec o m p a r et o o t h e rc o u n t r i e su n d e rs i m i l a rm e m o 巧c e l lp r o c e s s t h er e s e a r c hr e s u l t so ft h i sp a p e r h a v eg o o da p p l i c a t i o ni nn o n v o l a t i l es e m i c o n d u c t o rm e m o r y k e yw o r d s ：n o n v o l a t i l e s e m i c o n d u c t o rm e m o r y ；f l a s h ；o t p ；d e c o d e r ； s e n s i t i v ea m p l i f i e r ；a t d v l i l 一 英文缩写英文全称 山东大学硕士学位论文 英文缩略语对照 中文译名 a s i c a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t 专用集成电路 a t d c m o s d f m l s b m l c a d d r e s st r a n s a c t i o nd e t e c t地址跳变探测 c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d e互补金属氧化物半导体 s e m i c o n d u c t o r d e s i g nf o rm a n u f a c t u r a b i l i t y可制造性设计 l e a s ts i g n i f i c a n tb i t最低有效位 m u l t i l e v e lc e l l 多阈值存储单元 m o s f e tm e t a l o x i d e - s e m i c o n d u c t o r 金属半导体场效应晶体管 n v m m s b s i a s l c s o c v l s i v i i i f i e l d e f i e c tt r a n s i s t o r n o n v o l a t i l es e m i c o n d u c t o rm e m o r y 非挥发性半导体存储器 m o s ts i g n i f i c a n tb i t 最高有效位 s e m i c o n d u c t o ri n d u s t r ya s s o c i a t i o n 半导体行业协会 s i n g l el e v e lc e l l单阈值存储单元 s y s t e m o n a c h i p系统级芯片 v e d rl a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t s超大规模集成电路 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 集成电路的集成密度和性能在过去几十年间经历了一场翻天覆地的革命。 i n t e l 公司的创始人之一g o r d o nm o o r e 预见了单片上集成的晶体管数目将随时间 按照指数规律增长，这一预见后来成为摩尔定律( m o o r e sl a w ) 。其中最能体现 该定律的就是半导体存储器的复杂度，半导体存储器作为v l s i 工艺开发的先导 产品，一直是集成电路( i c ) 产业发展水平的重要标志。同时，对高密度，大容 量，高速度，低功耗等的追求使得存储器的发展成为i c 设计和制造水平的重要 推动力。图1 1 画出了存储器集成密度随时间增长的趋势，集成的复杂程度大约 每l 2 年翻一倍，结果从1 9 7 0 年起存储器的密度增加已经超过1 0 0 0 倍。 l ，抟l t 蛳爿_越 图1 1 存储器复杂度发展趋势图i l 】 半导体存储器有许多不同的形式和类型，最常用的分类方法是按照存储器的 功能、存储方式以及存储机理的本质来分类【2 】。通常将半导体存储器分刀、1 2 1 读 r w mn v r w mr o m 随机存储， 非随机存储 e p r o m 掩模编程 f i f oe e p r o m 可编程 s r a m l i f 0f l a s h ( p i m ) d i 己a m 移位寄存器 c a m 图1 2 半导体存储器的分类 山东大学硕士学位论文 存储器( r o m ) 、读写存储器( r w m ) 和非挥发性读写存储器( n v 删) 。根 据其命名就可以看出三类存储器的区别。图1 2 为在此种分类方式下的各种类型 的半导体存储器。 在上个世纪结束之前，大多数大容量存储器都是作为单独应用的i c 来封装 的，随着s o c 系统的出现以及设计规模的迅猛发展，现在已经有越来越大的存 储器与逻辑功能模块集成到同一个芯片上。这种类型的存储器成为嵌入式半导体 存储器。据半导体行业协会( s i a ) 统计，现今的s o c 芯片上有一半的面积是嵌 入式存储器占用，预计到2 0 1 4 年，将会有9 0 以上的芯片面积被嵌入式存储器 占用。 根据目前文献报道和各大主流半导体制造商发布的消息可知，主流 i d m f o u n d r y 的嵌入式f l a s h ( e f l a s h ) 已经进入到了1 3 0 n m 9 0 n m ，成熟产品多 为1 8 0 n m ，发展趋势为低电压高速度。 2 0 0 3 年，i n t e l 在j s s c 上发布了基于0 1 3 u m 工艺的e f l a s h 3 ，采用1 8 v 供 电，试验片为1 2 8 m b ，采用的是m l c ( m u l t i l e v e lc e l l ) 结构和n o r 型阵列架 构，速度能达到1 2 5 一m h z 。2 0 0 5 年，s a m s u n g 在j s s c 上发布了基于0 1 3 u m 工 艺的e f l a s h 4 ，0 9 v ( o 7 一1 4 v ) 电压供电。试验片为3 2 位的8 - m h z 存储芯片， 面积1 8 9 2 x 3 5 5 删n 2 。每一个存储单元的面积为0 4 6 0 6 6 u m 2 ，采用n o r 结构。 试验片的读取速度为6 6 一m h z 。2 0 0 6 年，清华大学在c i c c 上发布了基于s m i c o 1 s u m 工艺的s o n o se f l a s h 5 】，1 8 v 供电。试验片为3 2 位的4 - m b 存储芯片， 面积4 4 舢午。试验片的随机读取时间为1 7 n s 。2 0 0 7 年，i n f i n e o n 在i s s c c 上发 布了基于0 1 3 u m 工艺的浮栅型e f l a s h 6 。工作温度范围为4 0t o1 5 0 0 c ，1 5 v 3 3 v ( 士5 ) 双电压供电，具有e c c 校验。试验片为3 2 位的2 1 2 5 m b 存储芯片，面积 2 3 4 m m 2 。每一个存储单元的面积为0 5 4 0 7 u r n 2 ，采用n o r 结构。试验片的最 差随机读取时间为2 3 5 n s 。通过流水线技术，使用1 7 0 m h z 的时钟可以达到2 g b s 最大读取速度。2 0 0 8 年，s t m 在i c m t d 上发布了基于9 0 r i m 工艺的e f l a s h 7 ， 0 9 v - 1 4 v 供电，试验片为3 2 位的3 8 4 k b 存储芯片，采用了锁存型灵敏放大器。 s t m 的研发仍然走在各大厂商的前面，9 0 n m 存储单元面积达到0 2 2 u m 2 。 相比于e f l a s h ，产业中f l a s h 存储器已经工艺节点已经推进到4 5 n m 以下， 且容量已经能够达到3 2 g 甚至是6 4 g ，且存储容量和存储密度还会继续提高。 2 山东大学硕士学位论文 e f l a s h 存储器的设计比单片f l a s h 存储器的设计从工艺要落后2 3 代。其主要设 计难点在于高噪声条件下混合信号设计中速度与抗噪声能力的权衡。 2 0 0 8 年，i n t e l 在i s s c c 上发布了基于4 5 n m 容量为1 - g b 采用自对准接触孔 的浮栅存储单元，存储单元的物理面积为0 0 2 4 6 3 啪2 ，实际有限面积0 0 1 2 18 u m 2 ， n o r 型阵列，能达到5 m b s 的编程速度，采用1 8 v 供电电压的f l a s h 存储器 8 】。 2 0 0 8 年，s t m 在j s s c 上发布6 5 n m1 g b 具有2 2 5 m b s 编程速度的浮栅结构n o r 型阵列的f l a s h 9 存储器，存储单元面积为0 0 4 2 3 4 u m 2 ，采用1 7 2 0 v 的供电电 压。2 0 0 9 年，s a n d i s k & t o s h i b a 在i s s c c 上发布了4 3 n m6 4 g b 具有5 6 m b s 读 取速度的n a n d 型f l a s h 1 0 存储器，采用m l c 型存储单元，工作电压在 2 7 3 6 v 。同年，s a n d i s k & t o s h i b a 还在i s s c c 上发布了一款3 5 n m3 2 g b 的m l c 型n a n d 阵列的v l a s h oh 存储器。2 0 0 8 年s a n d i s k & t o s h i b a 在i s s c c 上发布 了p 衬底3 阱工艺的5 6 n m1 6 g b 浮栅结构n a n d 阵列，存储单元面积为 0 0 0 7 5 u r n 2 ，工作电压为2 7 3 6 v 的m l c 型f l a s h 1 2 存储器。s a m s u n g 在2 0 0 9 年的j s s c 上发布了其3 阱工艺的4 5 n m4 g bm l c 型n a n d 阵列的f l a s h 1 3 存 储器，存储单元面积为0 0 0 2 4 u m 2 ，采用2 5 3 6 v 工作电压。2 0 0 9 年，h y n i x 在 i s s c c 上发布其4 8 n m3 2 g bm l c 型n a n d 阵列，具有5 5 m b s 的编程速度的浮 栅型f l a s h 1 4 存储器。 本文主要以一种深亚微米高密度一次可编程存储器( o t p ，o n e t i m e p r o g r a m m a b l em e m o r y ) 驱动芯片以及关键i p 的设计为例，从系统级、模块级、 电路级和物理级对非挥发性嵌入式存储器进行研究。o t p 存储器与f l a s h 存储器 都是通过改变存储单元的阈值电压来存储二进制数的。二者的最大区别在于 f l a s h 存储器可以进行多次编程和擦除，而o t p 存储器仅能进行一次编程，之后 就不在改变内部数据。 本论文基于国内知名f o u n d r y 的0 1 2 u mo t p 工艺来研究深亚微米非挥发性 存储器芯片的外围驱动电路设计。最终完成了一款基于该工艺的3 2 m 存储器， 后仿真测试能够达到预计的性能指标，性能能达到国内外工业界的同等水平，并 且能同时帮助该f o u n d r y 完成其存储单元的性能测试，为其进一步的f l a s h 工艺 研发打下基础。 本论文共分为六章：第一章主要概述非挥发性半导体存储器的市场概况，以 山东大学硕士学位论文 及目前工业界f l a s h 存储器的主要性能。第二章首先介绍主要的非挥发性半导体 存储器存储单元的基本结构，进而介绍本论文中研究的o t p 存储器的存储单元 的基本结构和性能。同时介绍基于该存储单元而设计的存储器的阵列结构和该存 储器的读和编程操作。第三章主要从系统级介绍3 2 mo t p 非挥发性半导体存储 器的设计性能指标和系统架构，以及系统中所需要的主要功能模块和存储器的读 与编程时序图。第四章主要是电路实现第三章介绍的主要功能模块，主要包括译 码器电路模块、灵敏放大器电路模块、a t d 电路模块，p m 电路模块与控制逻辑 电路模块。第五章主要对第四章中的电路模块进行版图物理实现，同时还介绍了 芯片版图设计中需要注意的主要问题和解决方法。第六章是对本论文进行总结， 并讨论论文中的改进之处，同时对未来的发展进行展望。 4 山东大学硕士学位论文 第二章非挥发性存储器存储单元概述 2 1 非挥发性存储器存储单元基本原理和结构 目前已有的非挥发性存储器存储单元主要包括浮栅型器件、s o n o s 、 m o n o s 、m a n o s 、b e s o n o s 、t a n o s 和p c r a m 。浮栅型器件是将电子存 储在控制栅和沟道之间的一层小的薄的多晶硅浮栅上，通过改变浮栅上存储的电 荷来改变器件阈值电压，不同的阈值电压能确定出器件不同的状态。该浮栅和其 它部分完全绝缘，浮栅型器件的结构如图2 1 1 所示。其中浮栅与沟道之间的一 层薄氧化层的厚度决定该器件的编程速度，通常氧化层厚度越小，沟道中的电子 就越容易隧穿该氧化层，存储到浮栅中，但是为了防止电荷从浮栅中通过氧化层 泄漏，该氧化层不能低于8 n m 。同时，由于短沟道效应的限制，沟道长度也不能 做到很小，这不利于浮栅型存储器存储单元尺寸缩小 1 5 】。因此，到4 5 n m 技术 节点以下，这种类型的存储单元没有特别大的设计空间。 图2 1 1 浮栅型存储器件 图2 1 2 氮化物存储器件 和浮栅型存储器不同，氮化硅存储器件( 即电荷俘获型存储器) 的存储单元 则是采用量子隧穿效应将电荷( 电子或空穴) 隧穿氧化层注入到氮化硅介质层中， 并被氮化硅分离的电荷陷阱所俘获，从而引起器件阈值电压改变，其结构如图2 1 2 所示。早期的该类型存储器件包括s o n o s ( s i s i 0 2 s 订w s i 0 2 s i ) 和 m o n o s ( m e t e l s i 0 2 s i n s i 0 2 s i ) 型两种，如图2 1 3 所示。该器件比浮栅型器件更 山东大学硕士学位论文 简单，并且电荷被存储在绝缘层的固定位置，不易受到隧道氧化层中的杂质冲击 而移出，因此可以没有隧道氧化层厚度的限制，并且由于其阈值电压的变化范围 较大，可以在单个m o s f e t 中存储2 比特甚至是多比特的数据( 其原理后面会单 独描述) ，增加了存储密度 1 5 】。但是它的局限性在于需要在擦除速度和数据保持 能力上进行权衡，实际应用中常以牺牲擦除速度来得到更好的数据保持能力【1 6 】。 f g 她e 【 f b l o c k i n gj 似磁 1 t r a p p i n g _ l a v e r 1 t u n n e l i n gj d l e 培c t t i c1 s l o 。 s l n s l o n + 1 。p - w el l 图2 1 3m o n o s 存储器单元图2 1 4m a n o s 存储器单元 3 为了进一步改善电荷俘获型存储器器件擦除速度慢的特点，之后又提出了 m a n o s ( m e t e l a 1 2 0 3 s i n s i 0 2 s i )如图2 1 4 所示，和t a n o s ( t a n a 1 2 0 3 s i n s i 0 2 s i ) 2 1 5 所示，采用高k 的电介质a 1 2 0 3 和相对较厚的隧 道氧化层( 3 i l i l l ) 来提高存储单元存储电荷的能力，且可以提高一定的擦除能 力 1 6 ，1 7 。 6 口 m 撬。赢 。二如翅 t u l j 、d i 一 s o u r c ep o w e l l d r a i ns o u r c ep - w e l ld r a i n d u l a t e d n e l l e c t r i c 图2 1 5t a n o s 存储器单元图2 1 6b e s o n o s 存储器单元 山东大学硕士学位论文 b e s o n o s 是最近新提出的一种结构，它是在f - n ( f o w l e r - n o