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全面理解非易失存储器.doc.doc
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全面理解非易失存储器
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全面理解非易失存储器(Flash,EPROM,EEPROM)
非易失存储器概论
前言
本文论述了基本非易失存储器(NVM)的基本概念。第一部分介绍了 NVM 的基本情况,包
括 NVM 的背景以及常用的存储器术语。第二部分我将介绍怎样通过热电子注入实现 NVM
的编程。第三部分包括了用 FOWLER-NORDHEIM 隧道效应实现对 NVM 的擦除。同时,
简单的 FN 隧道效应的原理也将在这里给大家做一个说明。第四部分介绍了用于预测 NVM
编程特性的模型—热电子注入机制所依赖的“幸运电子”模型。最后一部分介绍了 NVM 可靠
性方面的问题,如数据保持能力(DATA RETENTION),耐久力(ENDURANCE),和干扰
(DISTURB)。
关键字:非易失,存储器,热电子注入,隧道效应,可靠性,数据保持,耐久力,干扰,闪
存\
第一部分: 介绍
存储器大致可分为两大类:易失和非易失。易失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。大部分的随机存储器(RAM)都属于此类。非易
失存储器在系统关闭或无电源供应时仍能保持数据信息。一个非易失存储器(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两类:浮栅型和电荷阱型。Kahng 和 Sze 在 1967 年发明了第一个
浮栅型器件,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 sub
strate 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一所示。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(Electricall
y Programmable Read Only Memory)和 EEPROM(Electrically Erasable and Programmabl
e Read Only Memory)。
电荷阱型器件是在 1967 年被发明的,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。图二展示了一个典型的 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。
世界上第一个 EPROM,是一个浮栅型器件,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,所以可以在封装后作另外的测试。
虽然在 70 年代有了紫外可擦除型的商业用非易失存储器,研制电可擦写型非易失存储器的
吸引力正在逐渐扩大。 H.IIZUKA et.al 发明了第一个电可擦写型非易失存储器,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,如图三所示。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。
在 80 年代,一个经典的非易失存储器产品被发明了,那就是闪存。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一所示。
第二部分 基本编程机制
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。实
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omyligaga
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