多电平快闪存储器

1、多电平快闪存储器多电平快闪存储器按其技术背景按其技术背景的不同可分为的不同可分为Flash EPROM (EPROM-based Flash memory)Flash EEPROM (EEPROM-based Flash memory)编程：沟道热电子注入编程：沟道热电子注入擦除：擦除：FN 隧穿效应隧穿效应编程：编程：FN 隧穿效应隧穿效应擦除：擦除：FN 隧穿效应隧穿效应新型的快闪新型的快闪存储器技术存储器技术新型单元结构方面：高耦合系数结构、新型单元结构方面：高耦合系数结构、 High Injection MOS、 分离栅结构、分离栅结构、 p 沟沟Flash、 多电平单元多电平单元 3

2、-D 结构、结构、SIBE Flash 新型阵列结构方面：新型阵列结构方面：NAND、NOR、AND 、DINOR 和和DuSNOR 新型编程机制方面：新型编程机制方面：BBHE 、DDHBHE 和和BBISHE（1）、）、 什么是什么是SLC？什么是？什么是MLC？SLC（Single Level Cell）MLC （Multi Level Cell）名称单电平单元多电平单元多电平单元使用三星、海力士、美光、东芝东芝、三星原理/特点 特点是在浮置栅极与源极之中的氧化层薄膜更薄，在写入数据时通过对浮置栅极的电荷加电压，然后透过源极，即可将所储存的电荷消除，通过这样的方式，便可储存1 个信息单元

3、。将两个单位的信息存入一个Floating Gate，然后利用不同电位（Level）的电荷，通过内存中储存的电压控制精准读写。MLC 通过使用大量的电压等级，每一个单元储存两位或更多的数据，数据密度比较大。优、缺点提供快速的程序编程与读取；受限于Silicon efficiency的问题，必须要由更先进的工艺流程，才能缩小SLC 单元尺寸。优点：生产成本低，容量大， 架构的储存密度更高；缺点：使用寿命较短， 存取速度慢， MLC 能耗比SLC 高。MLC 快闪存储器的基本操作快闪存储器的基本操作 以以2 位每单元为例分别介绍位每单元为例分别介绍MLC 的编程、读出及擦的编程、读出及擦除操作除操

4、作1. MLC 的编程操作 在编程操作过程中，必须通过将存在于每个快闪存在编程操作过程中，必须通过将存在于每个快闪存储单储单 元中的模拟电压划分为多个元中的模拟电压划分为多个Vt 电平，来精确的把电平，来精确的把电荷放到浮栅上，每个电荷放到浮栅上，每个Vt 电平是由浮栅上的电子数量电平是由浮栅上的电子数量控制的。沟道热电子（控制的。沟道热电子（CHE）注入控制这个电荷布局）注入控制这个电荷布局控制。如表控制。如表2 所示标准、所示标准、2 位每单元和位每单元和3 位每单元位每单元Vt 布布局。在编程过程中，每个单元的直接接地、位线和字局。在编程过程中，每个单元的直接接地、位线和字线的连接方式可

5、以精确的进行电荷配置。单元的控制线的连接方式可以精确的进行电荷配置。单元的控制栅通过一条直接的字线和行译码电路连接到内部产生栅通过一条直接的字线和行译码电路连接到内部产生的电源上。漏极通过一条直接的位线连接和列译码电的电源上。漏极通过一条直接的位线连接和列译码电路被加上一个固定电压，而源极则被直接接地。路被加上一个固定电压，而源极则被直接接地。2. MLC 的读操作 在读操作过程中，电荷检测是关键。读速度可与单电在读操作过程中，电荷检测是关键。读速度可与单电平存储器相比拟。数据读操作根据三个读参考单元的阈值平存储器相比拟。数据读操作根据三个读参考单元的阈值电压来检测存储单元落在四个电平中的哪一

6、级。参考单元电压来检测存储单元落在四个电平中的哪一级。参考单元所处的偏置条件使其导通电流与它的特定的所处的偏置条件使其导通电流与它的特定的Vt Vt 值成比例。值成比例。3.3 MLC 的擦除操作的擦除操作 擦除操作是通过在隧道氧化层上加一个很高的电擦除操作是通过在隧道氧化层上加一个很高的电场，利用场，利用F-N 隧穿效应来实现的，擦除操作使被选隧穿效应来实现的，擦除操作使被选中的存储块中的所有存储单元的电平都变为第中的存储块中的所有存储单元的电平都变为第0 级级（数据（数据“11”）。在擦除过程中，通过适当的存储）。在擦除过程中，通过适当的存储块源开关把一个正电压加到一个存储块中的所有源块源

7、开关把一个正电压加到一个存储块中的所有源极连线上。控制栅被连接到一个负电压，而要擦除极连线上。控制栅被连接到一个负电压，而要擦除的存储块的漏极都浮空。当单元处于这种偏置时，的存储块的漏极都浮空。当单元处于这种偏置时，先前被存储在浮栅上的电子现在就被源区吸引了。先前被存储在浮栅上的电子现在就被源区吸引了。电子穿过氧化层的隧穿过程产生了预期的效果，即电子穿过氧化层的隧穿过程产生了预期的效果，即降低了要擦除单元的降低了要擦除单元的Vt 值。值。快闪存储器的可靠性快闪存储器的可靠性 在采用浮栅技术的在采用浮栅技术的EPROM和和EEPROM中，数据保持特性中，数据保持特性和不退化的写和不退化的写/擦周

8、期次数（耐久性）是最关键的可靠性擦周期次数（耐久性）是最关键的可靠性问题。下面简要介绍耐久性失效的模式问题。下面简要介绍耐久性失效的模式1.固定位固定位 一个数据不能改变其状态，并总保持逻辑状态为高或低，一个数据不能改变其状态，并总保持逻辑状态为高或低，这可能由电荷俘获或氧化层断裂造成。这可能由电荷俘获或氧化层断裂造成。2.数据保持型的退化数据保持型的退化 数据保持型的退化意味着浮栅上电荷的损失，这是由于数据保持型的退化意味着浮栅上电荷的损失，这是由于绝缘氧化层中的俘获电荷或缺陷引起的。绝缘氧化层中的俘获电荷或缺陷引起的。3.读时间退化读时间退化 累积的俘获电荷或逐渐的电荷损失减少了读单元电流

9、，累积的俘获电荷或逐渐的电荷损失减少了读单元电流，是的读取时间逐渐增加。是的读取时间逐渐增加。4.串扰串扰 两条信号线之间的耦合、信号线之间的互感和互容引两条信号线之间的耦合、信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。容性耦合引发耦合电流，而感性耦合引发起线上的噪声。容性耦合引发耦合电流，而感性耦合引发耦合电压。在对一个存储字单元进行读、擦除或编程时，耦合电压。在对一个存储字单元进行读、擦除或编程时，可能产生串扰，造成另一个存储字单元发生不希望的变化。可能产生串扰，造成另一个存储字单元发生不希望的变化。 过擦除过擦除：如果擦除脉冲没有被精确定时，那么只要擦除电压一直加在存如果擦除脉冲没有被精确定时

10、，那么只要擦除电压一直加在存储储 单元上，电子就会继续从浮栅逸出，且阈值电压最终会变为负值。存储单元上，电子就会继续从浮栅逸出，且阈值电压最终会变为负值。存储单元的源漏端电流很大，使位线读或编程电压接地，从而造成器件不能正单元的源漏端电流很大，使位线读或编程电压接地，从而造成器件不能正确读或编程。确读或编程。MLC 快闪存储器的可靠性快闪存储器的可靠性1.擦除擦除/ 编程循环引起的性能退化编程循环引起的性能退化 在不考虑在不考虑Vt 窗口增加使流过隧道氧化层的电荷数量略微窗口增加使流过隧道氧化层的电荷数量略微增加的影响的情况下，由隧道氧化层中俘获的电子而造成增加的影响的情况下，由隧道氧化层中俘

11、获的电子而造成MLC 单元的擦除时间随循环次数的增加被认为是和常规的单元的擦除时间随循环次数的增加被认为是和常规的存储器一样的。存储器一样的。 影响影响F-N 编程的一个潜在失效模式与不稳定位的表现有编程的一个潜在失效模式与不稳定位的表现有关，每百万位中有几位数据有时会表现出隧穿电流的突然关，每百万位中有几位数据有时会表现出隧穿电流的突然改变，从正常值变为异常大，反之亦然，从而造成相同编改变，从正常值变为异常大，反之亦然，从而造成相同编程条件下的程条件下的Vt 漂移很不相同。这种不稳定的擦除效应已经漂移很不相同。这种不稳定的擦除效应已经归因与隧道导电过程中空穴在氧化层中的俘获与逃逸，而归因与隧道导电过程中空穴在氧化层中的俘获与逃逸，而且它可能会影响且它可能会影响F-N 编程的精度。编程的精度。2.数据保持力和读串扰数据保持力和读串扰 MLC 存储器的一个关键可靠性问题是数据保持。加速存储器的一个关键可靠性问题是数据保持。加速测试已经表明，器件寿命内期望的测试已经表明，器件寿命内期望的Vt 漂移最大值约为漂移最大值约为0.1V，这与每单元至少存储这与每单元至少存储34 位的多电平存储是兼容的。另位的多电平存储是兼容的。另一个可靠性的关键问题是读串扰，它影响着处于最低一个可靠性的关键问题是读串扰，它影响着处于最低Vt 状状态的单元，这种串扰是由于在读取一个单元本身