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半导体集成电路 第八章现代半导体存储器 半导体存储器的定义和分类存储器的结构各种存储器掩膜编程只读存储器可编程只读存储器可擦除可编程ROM EPROM 电可擦除可编程ROM E2PROM 闪速存储器 FlashMemory 静态随机存取存储器 SRAM 动态随机存取存储器 DRAM 存储器定义 存储大量二进制信息 或称为二进制数据 的半导体器件 用途 在计算机或数字系统中存储数据 存储器 数据通路 控制电路 输入输出 半导体存储器的分类 从实现工艺上 可分为双极型 现在几乎已不用 和MOS型两大类从存储单元的基本性质 可分为挥发性与非挥发性 也称易失性与非易失性 挥发性 断电后写入的信息就会丢失非挥发性 断电后写入的信息不丢失 更详细的分类 非挥发性存储器只读存储器 ROM 掩膜ROM PROM可读可写存储器 RWM EPROM E2PROM FlashMemory挥发性存储器随机存取 RAM 静态随机存取存储器 SRAM 动态随机存取存储器 DRAM 非随机存取 先进先出 FirstInputFirstOutput FIFO 后进先出 LastInputFirstOutput 移位存储器 关联存储器 存储容量 存储单元的总数 存储器的容量 一个存储单元可存储一个二进制数位 bit 字节 Byte 8bit字长 字的位数称为字长 如4位 8位 16位 32位等 因此 存储容量常用 N 个字 M 位 表示 如 1024位的存储器 若字长为8 则存储128个字 128 8 半导体存储器的定义和分类存储器的结构各种存储器掩膜编程只读存储器可编程只读存储器可擦除可编程ROM EPROM 电可擦除可编程ROM E2PROM 闪速存储器 FlashMemory 静态随机存取存储器 SRAM 动态随机存取存储器 DRAM 存储器的构成 1 存储阵列2 地址译码器 行和列地址译码器 3 读写电路 1DMemory结构 nwords n个选择信号 通过译码器 输入信号数k log2n 存储器的结构 2DMemory结构 A0 RowDecoder A1 Aj 1 灵敏放大器 位线 bitline 字线 wordline 存储单元 storagecell 行地址 列地址 Aj Aj 1 Ak 1 读 写电路 ColumnDecoder 2k j 2j Input Output mbits 3DMemory结构 RowAddr ColumnAddr BlockAddr Input Output mbits 只读存储器ROM ReadOnlyMemory WL BL WL BL 1 WL BL WL BL WL BL 0 VDD WL BL GND DiodeROM MOSROM1 MOSROM2 1 只读存储器的存储单元 2 MOSORROM WL 0 V DD BL 0 WL 1 WL 2 WL 3 V bias BL 1 Pull downloads BL 2 BL 3 V DD 3 MOSNORROM 存储单元的编程方法 MOSNORROMLayout1 用扩散层编程 Polysilicon Metal1 Diffusion Metal1onDiffusion 面积小 扩散层直接作为地线 和逻辑电路不同 MOSNORROMLayout2 Polysilicon Metal1 Diffusion Metal1onDiffusion 用接触孔编程 工序为后期 因此不用在扩散层就等用户 4 MOSNANDROM 默认情况下字线为高 被选中时为低 WL 0 WL 1 WL 2 WL 3 V DD Pull updevices BL 3 BL 2 BL 1 BL 0 字线工作在负逻辑 MOSNANDROMLayout1 Polysilicon Diffusion Metal1onDiffusion 用金属1层编程 用金属将不需要的晶体管源漏短路 NANDROMLayout2 Polysilicon Threshold alteringimplant Metal1onDiffusion 用离子注入层编 需增加一道工序 注入n型杂质降低阈值使其变成耗尽型 相当于短路 普通OR NOR NAND结构缺点 静态功耗大 当输出为低 NOR NAND 或高 OR 时 存在一个从VDD到GND的静态电流通路 预充式NORROM 5 预充式NORROM 预冲管充电时 所有下拉管 字线控制的管子 关断 优点 消除了静态功耗 缺点 增加了时钟信号发生电路 pre WL 0 PROM 字线 W i 位线 D i a V 1 V 2 位线 D i 字线 W i b 熔丝型PROM存储单元 PN结击穿法PROM存储单元 Floatinggate Source Substrate Gate Drain n n p t ox t ox 器件截面图 电路符号 1 Floating GateTransistor EPROM 非挥发性存储器 浮栅晶体管的编程过程 20V 20V D S 加上高的编程电压后 发生雪崩倍增产生的高能热电子注入浮栅 一般用紫外擦除 电压移去后 电荷依然存在 加上普通工作电压后 由于晶体管阈值电压被抬高从而不导通 A Programmable Threshold Transistor 特点 1 只能 系统外 擦除 擦除时间长 2 位密度高 价格低 EPROM和擦除设备 2 EEPROM 电可擦除可编程只读存储器 Floatinggate Source Substrate p Gate Drain n n FLOTOXI Vcharacteristic 20 30nm 10V 10V I V GD 氧化层厚度10nm FloatingGateTunnelingOxide FLOTOX EEPROM的擦除过程 10V 0V 隧道击穿机理电子注入浮动栅极 移去电压后电荷仍被捕获 5V 5V 形成了较高的阈值电压 EEPROM与EPROM相反 电子注入浮栅的过程称 擦除过程 从浮栅抽取电子的过程叫 编程 写入 过程 EEPROM的编程过程 0V 10V 隧道击穿机理电子注出浮动栅极 抽除后称为编程状态 过抽除形成耗尽型晶体管 问题 标准字线无法关断晶体管 B2读出错误 EEPROMCell WL BL 2transistorcell 未编程晶体管阈值大于VDD 相当于开路 被编程晶体管处于常通状态 WL 控制栅2 浮栅1 VDD e e N N N 选择晶体管 BL Gnd FN隧道效应 P sub 特点 1 可按位 字节 擦除 2 每个单元需要2个晶体管 位密度低 价格比EPROM高 3 FlashEEPROM Controlgate erasure p substrate Floatinggate Thintunnelingoxide n source n drain programming 编程 热电子注入擦除 隧穿机理 Cross sectionsofNVMcells EPROM Flash BasicOperationsinaNORFlashMemory Write BasicOperationsinaNORFlashMemory Read BasicOperationsinaNORFlashMemory Erase 特点 1 须按块擦除 2 位密度高 速度快 CharacteristicsofState of the artNVM 随机存取存储器 RAM 静态读写存储器 SRAM 动态态读写存储器 DRAM 存储数据保存时间长 面积大 6transistors cell 快 需要周期性刷新 面积小 1 3transistors cell 慢 0 1 1 0 0 1 1 静态保持 动态保持 1 1 基本SRAM单元和电压传输特性 字线 位线 q 2 1 1 SRAM 1 6管CMOSSRAM单元 CMOSSRAMAnalysis Read 读信号时根据位线上电平是否有变化判断为 1 或 0 无变化 有变化 CMOSSRAMAnalysis Write 6T SRAM Layout Resistance loadSRAMCell M 3 R L R L V DD WL Q Q M 1 M 2 M 4 BL BL SRAMCharacteristics 2 DRAM 1 3管DRAM单元 3T DRAM Layout Write 通过字线和位线CS被充电或放电 Read 电荷在存储电容和位线电容之间进行再分配 电压变化量较小 典型值大约250mV 破坏性读 需动态恢复刷新 2 1管DRAM单元 X 重分配后位线电压 CS上的初始电压 1 TDRAMCell Cross section 存储器外围电路 地址译码器SRAM灵敏放大器时序和控制电路 地址译码器 1 行译码器行译码器的任务是从存储阵列诸多行中选中所需的行 b NAND译码器 a NOR译码器 行译码器列译码器 Prechargedevices V DD f GND WL 3 WL 2 WL 1 WL 0 A 0 A 0 GND A 1 A 1 f WL 3 A 0 A 0 A 1 A 1 WL 2 WL 1 WL 0 2 inputNORdecoder 2 inputNANDdecoder 规模较大时 NOR译码器译码速度快 但占面积大 NAND译码器面积小 但因管子串联较多速度慢 两级译码方式 两级译码方式 大大减少了串联晶体管 增加了速度 2 列译码器 优点 每个信号传输路径上只增加了一个传输门 对速度影响小缺点 晶体管数目多 基于传输门的列译码器 译码器 BL 0 BL 1 BL 2