非挥发存储器现状调查.doc

非挥发性存储器现状调查 存储器大致可分为两大类：挥发性存储器（volatile memory）和非挥发性存储器(non-volatile memory)。如下图图一所示。挥发性存储器在系统关闭时立即失去存储在内的信息，它需要持续的电源供应以维持数据。一般称之为RAM，有两种主要的类型：动态随机存取内存(DRAM）和 静态随机存取内存(SRAM）。非挥发性存储器在系统关闭或无电源供应时仍能保持数据信息。一个非挥发性存储器（NVM）器件通常也是一个MOS管，拥有一个源极，一个漏极，一个门极另外还有一个浮栅（FLOATING GATE）。它的构造和一般的MOS管略有不同：多了一个浮栅。浮栅被绝缘体隔绝于其他部分。非易失存储器又可分为浮栅型和电荷阱型。图一半导体存储器分类第一个浮栅型器件是由Kahng 和 Sze 在1967年发明的。在这个器件中，电子通过3nm厚度的氧化硅层隧道效应从浮栅中被转移到substrate中。隧道效应同时被用于对期间的编程和擦除，通常它适用于氧化层厚度小于12nm。 储存在浮栅中的电荷数量可以影响器件的阈值电压（Vth）,由此区分期间状态的逻辑值1或0。 在浮栅型存储器中，电荷被储存在浮栅中，它们在无电源供应的情况下仍然可以保持。所有的浮栅型存储器都有着类似的原始单元架构。他们都有层叠的门极结构如图二所示。第一个门极被埋在门极氧化层和极间氧化层之间，极间氧化层的作用是隔绝浮栅区，它的组成可以是氧-氮-氧，或者二氧化硅。包围在器件周围的二氧化硅层可以保护器件免受外力影响。第二个门极被称为控制门极，它和外部的电极相连接。浮栅型器件通常用于EPROM(Electrically Programmable Read Only Memory)和EEPROM(Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory)。图二浮栅型存储器电荷阱型器件是在1967年被发明的，这也是第一个被发明的电编程半导体器件。在这类型的存储器中，电荷被储存在分离的氮阱中，由此在无电源供应时保持信息。电荷阱器件的典型应用是在MNOS(Metal Nitride Oxide Silicon)，SNOS(Silicon Nitride Oxide Semiconductor)和SONOS(Silicon Oxide Nitride Oxide Semiconductor)中。图三展示了一个典型的MNOS电荷阱型存储器的结构。MNOS中的电荷通过量子机制穿过一层极薄的氧化层（一般为1.5-3nm）从沟道中被注入氮层中。图三MNOS电荷阱型存储器最早期的浮栅型器件中的EPROM，是通过使用高度参杂的多晶硅（poly-Si）作为浮栅材料而制成的，它被称为浮栅雪崩注入型MOS存储器（FAMOS）。它的门极氧化层厚度为100nm, 由此保护电荷流向substrate。 对存储器的编程是通过对漏极偏压到雪崩极限使得电子在雪崩中从漏极区域被注入到浮栅中。这种存储器的擦除只能通过紫外线照射或X光照射。如今，这种EPROM的封装形式通常是陶瓷带有一个可透光的小窗口，或者是一个塑料封装的没有石英窗的。这些存储器被称为一次性编程存储器（OTP）,这种存储器很便宜，但是在封装后要测试他们是不可能的。带有石英窗口的EPROM价格比较贵，但是由于可被擦除，所以可以在封装后继续作另外的测试。随着半导体技术的不断发展，研制电可擦写型非易失存储器的吸引力正在逐渐扩大。第一个电可擦写型非易失存储器也被称为叠门雪崩注入型MOS(SAMOS)存储器。SAMOS存储器由两个多晶硅门和一个外部控制门组成。外部控制门的出现使得电可擦写成为了现实，并且提高了擦除的效率。电可擦写型非易失存储器的电擦除是通过将浮栅中的电荷量恢复到未注入时的水平实现的。比起紫外照射擦除产品，这种产品的封装成本低廉很多。缺点是单位存储单元的尺寸要比以前大很多，使得晶元面积也大了很多。EEPROM单元由两个晶体管组成，一个是浮栅晶体管，另一个是选择晶体管，如图四所示。选择晶体管是用于在编程和擦除时选择相应的浮栅晶体管。后来，由于加入了错位修正电路以及修补电路，晶元尺寸被再次增大。图四EEPROM结构再到后来，一个经典的非易失存储器产品被发明了，那就是闪存(Flash Memory)。第一个闪存产品通过热电子注入机制实现对器件编程，而擦除则采用了隧道效应。这种新型的存储器只能被整片或一个区域的删除而不能被单字节删除。因此，选择晶体管被移除了，由此也减小了单元的尺寸。典型的单元结构如图二所示。闪存根据技术方式分为Nand 、Nor Flash和AG-AND Flash，而U盘和MP3中最常用的内存就是Nand Flash。如图五。图五 flash cell array category其实NOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。Intel于1988年首先开发出NOR flash技术，彻底改变了原先由EPROM和EEPROM一统天下的局面。紧接着，1989年，东芝公司发表了NAND flash结构，强调降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级。如果大多数情况下闪存只是用来存储少量的代码，这时NOR闪存更适合一些。而NAND则是高数据存储密度的理想解决方案。通过下面图六和图七可以更加形象的说明NOR和NAND的区别。图六 Nor 与 Nand图七Flash矩阵排列结构非挥发存储器的编程、擦除机制介绍。无论是浮栅型或电荷阱型存储器，对器件编程都是通过将电子注入浮栅区或者氮层区中。此过程主要是通过两种的机制：FN 隧道效应（对薄氧化层）以及热电子注入。在FN隧道效应中，门极氧化层厚度一般小于12nm，而在热电子注入中可以厚很多。为了能够再次对NVM编程，也需要对NVM擦除。在工业界最常应用的NVM擦除机制通常方法包括:1)紫外线照射；2）FN 隧道效应。通常在UV EPROM中使用紫外照射擦除的方法，而在EEPROM和FLASH存储器中则使用了FN隧道效应擦除机制。紫外擦除所需的时间一般为10分钟而FN隧道效应擦除的时间根据控制门极和漏极上加载的电压强度不同仅为1ms到10ms。对Flash Memory（NOR & NAND）的编程和擦除如图八所示。图八Nor 和Nand Flash Cell 写入与擦除机理 NVM存储器单元有几个重要的功能性参数，用于评估单元的性能。这些参数基本可以分为两大类：耐久力和数据保持能力。耐久力特性表现于存储器的阈值电压区间，它与编程次数有密切的关系，如图九所示。NVM可以被编程和擦除直到氧化层被破坏。这也意味着NVM有效的可编程次数是有限的，举例来说大部分商用EEPROM产品可以保证106 有效编程次数。此情况下氧化层的破坏通常被称为氧化层的降级，而一个存储器可以经受的最大编程次数被称为耐久力。阈值电压窗口关闭通常发生在两者值（高电平与低电平状态）太小以至不能被明显区分。这种现象归咎于电子被氧化层中原有的电子阱陷所困住无法再移动，另有实验证明阱陷是在对单元编程或者擦除过程中氧化层两端加载的高电场所产生的。因此，门氧化层的质量对于器件耐久力尤其重要。图九Program/Erase cycling （100K）当一个NVM单元无法保持浮栅中的电荷量时，我们称之为数据保持能力的丧失。数据保持能力是衡量一个NVM存储器单元在无电源供应情况下可以保持数据的时间。在浮栅型存储器中，存储在浮栅区的电荷会通过门氧化层和IPD流失。由自由电子（离子）移动和氧化层中缺陷所产生的漏电流，会导致单元阈值电压的改变。不同的电子流失方式有：温度引起的电离，电子中和，由于正离子污染引发的流失。为了提高单元的保持数据能力，我们采用了不同的手段来提高门氧化层和IPD的质量。大规模的在生产中使用NVM需要他们具有10年以上的数据保持能力。此外，在编程中和擦除中产生的干扰也是影响NVM可靠性的一个因素。一个存储器单元阵列在编程和擦除中经受stress被称为干扰。具体而言有四种：DC Erase, DC Program, Program Disturb,和Read Disturb。在编程过程中最常见的两种干扰是DC Program和Program Disturb，在擦除过程中最常见的则是DC Erase，最后在读过程中的干扰被称为Read Disturb。非易失性存储器具有高速、高密度、可微缩、低功耗、抗辐射、断电后仍然能够保持数据等诸多优点。闪存在非易失性存储器中，具有明显的优势在系统电可擦除和可重复编程，而不需要特殊的高电压；而且成本低、密度大。尽管目前非易失性存储器中最先进的就是闪存，但技术却并未就此停步。各生产商们正在开发多种新技术，以便使闪存也拥有像DRAM和SDRAM那样的高速、低价、寿命长等特点。随着技术发展，非易失性存储器又包括铁电介质存储器(FRAM或FeRAM)、磁介质存储器(MRAM)、奥弗辛斯基效应一致性存储器(OUM)以及聚合物存储器(PFRAM)等诸多类型(图十)，对数据处理来说，它们都很有前途，因为它们突破了SRAM、DRAM以及闪存的局限性。图十 Emerging NVMFRAM 是下一代的非易失性存储器技术，运行能耗低，在断电后能长期保存数据。它综合了RAM高速读写和ROM长期保存数据的特点。这项技术利用了铁电材料可保存信息的特点，使用工业标准的CMOS半导体存储器制造工艺来生产。但是，FRAM的寿命是有限的，而其读取是破坏性的，就是说一旦进行读取，FRAM中存储的数据就消失了。MRAM 是非易失性的存储器，速度比DRAM还快。在实验室中，MRAM的写入时间可低至2.3ns。MRAM拥有无限次的读写能力，并且功耗极低，可实现瞬间开关机并能延长便携机的电池使用时间。而且，MRAM的电路比普通存储器还简单，整个芯片只需一条读出电路。但就生产成本来看，MRAM比SRAM、DRAM及闪存都高得多。OUM 是一种非易失性存储器，可以替代低功耗的闪存。它拥有很长的读写操作寿命，并且比闪存更易集成。OUM存储单元的密度极高，读取操作完全安全，只需极低的电压和功率即可工作，同现有逻辑电路的集成也相当简单。用OUM单元制作的存储器大约可写入10亿次，这使它成为便携设备中大容量存储器的理想替代品。但是，OUM有一定的使用寿命，长期使用会出一些可靠性问题。PFRAM 是一种塑料的、基于聚合物的非易失性存储器，通过三维堆叠技术可以得到很高的密度，但它的读写操作寿命有限。PFRAM可能会替代闪