非易失性存储器

非易失性存储器第1页，共12页，2023年，2月20日，星期四存储器

存储器的主要功能是存储程序和各种数据，并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。它采用具有两种稳定状态的物理器件来存储信息第2页，共12页，2023年，2月20日，星期四存储器分类第3页，共12页，2023年，2月20日，星期四各类存储器性能比较

第4页，共12页，2023年，2月20日，星期四非易失性存储器特点：在掉电以后，存储在存储器中的数据不会丢失。自1967年贝尔实验室(BellLab)的D.Kahng和S.M.Sze提出基于浮栅结构(FG,FloatingGate)的非挥发性半导体存储器随后，Flash存储器主要朝着电荷俘获型存储器阻挡层的研究两个方向发展第5页，共12页，2023年，2月20日，星期四非易失性存储器的发展第6页，共12页，2023年，2月20日，星期四浮栅存储器工作原理

在常规MOSFET的栅堆栈结构中加入与顶层控制栅隔离的多晶硅形成浮栅，浮栅被SiO2绝缘层包围。通过对器件栅极(G)、源极(S),漏极(D)加适当的电压将沟道中的电荷注入到浮栅或从浮栅中泄漏，从而引起器件阈值电压的变化，Ia一Vg曲线也发生相应的平移，不同的曲线用来表示逻辑上的“0”和“1”两个状态，进行数据存储。所存储的数据在失去外部供电后，由于浮栅被栅堆栈中的绝缘层隔离而得以保存，即所谓的非挥发性。第7页，共12页，2023年，2月20日，星期四电荷陷阱存储器工作原理电荷陷阱型存储器基本结构和浮栅类似，不同之处在于电荷陷阱型存储器的电荷存储在具有高缺陷能级密度的材料中，包括Si3N4以及一些禁带宽度非常较小的高介电常数材料中，如HfO2,HfAlO。第8页，共12页，2023年，2月20日，星期四存储器编程/擦除（P/E）编程时，栅极加正电压，电荷通过某种方式注入到存储层中，这时，存储层起到一个势阱的作用，进入其中的电荷在没有外力的作用下是无法“逃走"的，因此可以存储电荷。由于存储层中电荷产生的电场屏蔽作用，使得器件的阈值电压增大。

擦除时，栅极加负电压，电荷以某种机制从存储层回到衬底时，器件阈值电压又会降回原来的大小。

这里用二进制数“1"和“0”分别代表低阈值电压状态和高阈值电压状态，“O”表示存储器已经被编程，“1"表示存储器己经被擦除。第9页，共12页，2023年，2月20日，星期四传统浮栅器件面临的问题第10页，共12页，2023年，2月20日，星期四非易失性存储器未来的发展方向(1)简单、低成本的器件结构。(2)由于库仑阻塞效应和量子限制效应的作用，器件有良好的保持力(retention)，使得器件可以实现薄氧化物、低电压操作。(3)由于采用了分布式存储，可以在不牺牲器件可靠性的前提下采用更薄的隧穿氧化层，提高擦写速度；(4)由于器件工作时仅对纳米晶中的少量电荷进行操作，可实现低功耗存储的目的。(5)由于电荷在纳米晶体层中分布式存储，隧穿氧化层中的局部缺陷对离散分布于纳米晶中的全体电荷影响较小，即器件对SILC和隧穿氧化层的缺陷具有更好的免疫性，器件具有更优异的耐受能力。(6)由于没有漏极与浮栅间的耦合作用，从而减少了漏极引起的穿通效应，使得可以在器件读出时使用大漏极电压和小的沟道长度，进而减小了器件的面积，降低了成本。(7)纳米晶存储器还具有优良的抗辐射性能，具有航天技术应用的潜力。第11页，共12页，2023年，2月20日，星期