《半導(dǎo)體存儲器》PPT課件.ppt

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半導(dǎo)體存儲器,2,主要內(nèi)容,引言 半導(dǎo)體存儲器的主要指標(biāo)和類型 幾種半導(dǎo)體存儲器的工作原理 浮柵存儲器的失效表征 浮柵存儲器的可靠性問題 浮柵存儲器的失效機(jī)理,3,存儲器的產(chǎn)生及發(fā)展,1967年 Kahng、S. Sze ——非揮發(fā)存儲器 1968年 Dennard——單晶體管DRAM 1971年 第一個(gè)浮柵器件問世 1987年 Flash存儲器提出 1993年 16Mb flash EEPROM 問世,4,引言,什么是存儲器？ 存儲器是一種能存放數(shù)據(jù)程序的部件。它必須具備的基本功能就是保存所讀入的代碼，在需要時(shí)可以取出(讀出)。 存儲器不僅是各種電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的主要組成部分，也為其他電子技術(shù)廣泛采用。,半導(dǎo)體存儲器 的性能水平,微電子的 技術(shù)水平,,表征,5,半導(dǎo)體存儲器的應(yīng)用領(lǐng)域,各型計(jì)算機(jī) 工程工作站 IC存儲卡 通信設(shè)施 數(shù)字電視 辦公設(shè)備(如傳真機(jī)) 家電設(shè)備(如CD機(jī)) 大多數(shù)具有智能性的設(shè)備、儀表或部件,存儲器電路一直是數(shù)字型集成電路的主流產(chǎn)品，是半導(dǎo)體產(chǎn)品總銷售額最大的支柱。,6,半導(dǎo)體存儲器的主要指標(biāo),,存儲容量,工作速度,衡量它的工作能力的大小，容量越大其工作能力越強(qiáng)。一般來說存儲單元的總數(shù)就是它的存儲容量。如：千位(Kb)、兆位(Mb)、千兆位(或吉位)(Gb)。,即存取速度。它用存取周期來表示。存取周期指的是從存儲器開始存取第一個(gè)字到能夠存取第二個(gè)字為止所需的時(shí)間，也稱為存取時(shí)間。存取時(shí)間越短，存取速度就越高，該存儲器的性能也就越好。,,,7,存儲器的可靠性,,存儲器的可靠性,平均故障間隔 時(shí)間MTBF,兩次故障之間的平均時(shí)間間隔,,MTBF越長，表示可靠性越高， 即保持正確工作能力越強(qiáng)。,8,,性能價(jià)格比,存儲器容量,存儲周期,可靠性,,,,性能價(jià)格比是一個(gè)綜合性指標(biāo)，對于不同的存儲器有不同的要求。 對于外存儲器，要求容量極大，而對緩沖存儲器則要求速度非?？?，容量不一定大。,性能/價(jià)格比是評價(jià)整個(gè)存儲器系統(tǒng)很重要的指標(biāo)。,9,,在選用存儲器時(shí)不但要對它的容量和速度，還要對它的功耗、體積、成本和可靠性等指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮。,10,半導(dǎo)體存儲器的分類,雙極型存儲器 優(yōu)點(diǎn)：速度快 缺點(diǎn)：功耗大，工藝復(fù)雜、成本高而集程度又不夠大 MOS型存儲器 優(yōu)點(diǎn)：密度高、容量大、功耗低、成本低 缺點(diǎn)：速度較慢。,隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，MOS存儲器工作速度的不斷提高，它已成為數(shù)字技術(shù)中必不可少的組成部分，是大規(guī)模集成電路的一個(gè)重要方面。,11,12,RAM(Random Access Memory ),RAM(隨機(jī)存取存儲器): 定義：是以大致相同的高速度實(shí)現(xiàn)讀出和寫入的存儲器。 特點(diǎn)：可以隨時(shí)存取數(shù)據(jù)，但是一旦斷電，保存在其中的數(shù)據(jù) 就會全部丟失。 RAM一般分為兩類： 動(dòng)態(tài)RAM(Dynamic RAM, DRAM) 靜態(tài)RAM(Static RAM, SRAM) RAM在計(jì)算機(jī)中常用來存放各種數(shù)據(jù)、指令和計(jì)算的中間結(jié)果。由于SRAM的讀寫速度遠(yuǎn)快于DRAM，所以PC中SRAM大都作為高速緩存(Cache)使用，DRAM則作為普通的內(nèi)存和顯示內(nèi)存使用 。,13,DRAM(Dynamic RAM),DRAM(動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲器)： 利用MOS管的柵極電容對電荷的暫存 作用來存儲信息的。 優(yōu)點(diǎn)：存儲單元元件最少，集成度最高， 功耗小，每位成本也最低。 缺點(diǎn)：需要刷新和對時(shí)序有嚴(yán)格的要求。 它的抗干擾能力差。,14,微細(xì)加工和DRAM的集成度逐年進(jìn)展,,15,SRAM(Static RAM),SRAM(靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器)： SRAM的存儲單元由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成。 優(yōu)點(diǎn)：狀態(tài)穩(wěn)定，可在不斷電的情況下長 期保存信號，不需要“刷新”，工作 速度較快 缺點(diǎn)：采用6管而集成度不高，功耗大,16,其它幾種類型的隨機(jī)存儲器結(jié)構(gòu),組合隨機(jī)存儲器(iRAM) 非易失隨機(jī)存儲器(NVRAM) 視頻隨機(jī)存儲器(VRAM) 內(nèi)容尋址隨機(jī)存儲器(CAM),17,ROM(Read-Only Memory ),ROM(只讀存儲器)： 定義：這是一種線路最簡單半導(dǎo)體電路，通過掩模工藝， 一次性制造，其中的代碼與數(shù)據(jù)將永久保存(除非壞掉)，不能進(jìn)行修改。ROM能夠高速讀出，但不能變更已寫入的內(nèi)容。 無論哪種ROM在切斷電源后存儲的信息都不會丟失，故稱為非揮發(fā)性存儲器（Nonvolatile Memory）。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，所以位密度比可讀/寫存儲器高。 具有非易失性，所以可靠性高。 成本低 缺點(diǎn)：一次性制造，不能進(jìn)行修改,18,掩模PROM,在制作階段就把要寫入的數(shù)據(jù)作為掩模圖形定制成型，是永久的數(shù)據(jù)固化了的掩模編程ROM。生產(chǎn)廠家制定，用戶不能自己另行寫入,19,PROM(Programmable Read-Only Memory),PROM(可編程只讀存儲器): 只允許寫入一次，所以也被稱為“一次可編程只讀存儲器” (One Time Progarmming ROM，OTP-ROM) 特點(diǎn)：PROM一經(jīng)編程寫入，則不能再修改,20,EPROM(Erasable Programmable ROM),EPROM（UVEPROM）： 指的是“可擦寫可編程只讀存儲器，是電寫入且可以用紫外線照射進(jìn)行擦除的ROM。 優(yōu)點(diǎn)：具有可擦除功能，擦除后即可進(jìn)行再編程。 缺點(diǎn)：擦除需要使用紫外線照射一定的時(shí)間，并 且擦洗時(shí)，將整個(gè)芯片原存的全部信息都 擦去。,21,EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM),EEPROM（EAPROM）： 指的是“電可擦除可編程只讀存儲器” 。 優(yōu)點(diǎn)：可直接用電信號擦除，也可用電信號寫入。 以字節(jié)為單位的電可寫電可擦除的ROM。 EEPROM可擦去其中的一部分信息。 缺點(diǎn)：工藝復(fù)雜， 耗費(fèi)的門電路過多，且重編程 時(shí)間比較長，同時(shí)其有效重編程次數(shù)也比 較低。,22,Flash memory,Flash memory指的是“閃存”，所謂“閃存”，它也是一種非易失性的內(nèi)存，屬于EEPROM的改進(jìn)產(chǎn)品。是以字節(jié)為單位寫而整片分批擦除或者是按大的單位擦除而將單元面積做小的快閃存儲器。 特點(diǎn)：在不加電的情況下能長期保持存儲的信息； 須按塊(Block)擦除(而EEPROM則可以一次只擦除 一個(gè)字節(jié))。 目前“閃存”被廣泛用在PC機(jī)的主板上，用來保存BIOS程序，便于進(jìn)行程序的升級。 其另外一大應(yīng)用領(lǐng)域是用來作為硬盤的替代品，具有抗震、速度快、無噪聲、耗電低的優(yōu)點(diǎn)。 但是將其用來取代RAM就顯得不合適，因?yàn)镽AM需要能夠按字節(jié)改寫，而Flash ROM做不到。,23,,Flash Memory集其它類非易失性存儲器的特點(diǎn)：與EPROM相比較，閃速存儲器具有明顯的優(yōu)勢——在系統(tǒng)電可擦除和可重復(fù)編程，而不需要特殊的高電壓（某些第一代閃速存儲器也要求高電壓來完成擦除和/或編程操作）；與EEPROM相比較，閃速存儲器具有成本低、密度大的特點(diǎn)。其獨(dú)特的性能使其廣泛地運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域，包括嵌入式系統(tǒng)，如PC及外設(shè)、電信交換機(jī)、蜂窩電話、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備、儀器儀表和汽車器件，同時(shí)還包括新興的語音、圖像、數(shù)據(jù)存儲類產(chǎn)品，如數(shù)字相機(jī)、數(shù)字錄音機(jī)和個(gè)人數(shù)字助理（PDA）。,24,新原理、新材料微電子存儲器舉例,鐵電存儲器,單電子半導(dǎo) 體存儲器,全息存儲器,蛋白質(zhì)存儲器,利用電容器兩極板之間的鐵電材 料極化方向的變化來存儲數(shù)據(jù),利用浮柵點(diǎn)來存儲數(shù)據(jù),用晶體來作為存儲信息的媒體,存儲媒體是一種噬菌調(diào)理素 的蛋白質(zhì)分子,,,,,質(zhì)子存儲器,靠質(zhì)子進(jìn)入硅芯片形成的 電場來存儲信息,,25,幾種半導(dǎo)體存儲器的工作原理,EPROM(UVEPROM)的工作原理,26,吸收了紫外線能量的電子可以越過SiO2的勢壘,27,EEPROM的工作原理,FLOTOX結(jié)構(gòu) MNOS結(jié)構(gòu) FLASH結(jié)構(gòu),28,FLOTOX 結(jié)構(gòu)的EEPROM,在強(qiáng)場下漏與浮柵之間可以進(jìn)行雙向電子流動(dòng)，由此實(shí)現(xiàn)對單元的擦和寫,,,,Flotox EEPROM的結(jié)構(gòu)剖面,29,Flotox EEPROM的單元電路,采用雙管而不是單管單元的目的是為了盡量減少薄氧化層承受高壓感應(yīng)的可能性，以免薄氧化層破壞或使浮柵上的存儲電荷漏掉。,,30,MNOS 結(jié)構(gòu)的EEPROM,,,31,Flash Memory的工作原理,優(yōu)點(diǎn):體積小、功耗省、速度快和成本低,,Flash Memory 的結(jié)構(gòu)剖面,32,Flash Memory的工作原理,,Program：控制柵（CG）和漏接高電平；源和襯底接地。溝道漏端附近產(chǎn)生CHE（Channel Hot Electron）注入浮柵（FG）。,33,Flash Memory的工作原理,,Erase：控制柵接地或低電平；漏懸空；源接高電平。浮柵上的電子，在溝道源端附近發(fā)生FN（Fowler－Nordheim）隧穿，被源端收集。,34,Flash Memory的工作原理 (IV特性),Erased Programmed,35,半導(dǎo)體存儲器的比較,36,EPROM與EEPROM的性能對比,,37,EEPROM的發(fā)展概況,1971年 第一個(gè)浮柵器件問世 1972年 提出堆柵MOS器件結(jié)構(gòu) 1973年 FRAM關(guān)鍵技術(shù)突破 1977年 SIMOS結(jié)構(gòu)提出 1980年 16kb EEPROM報(bào)道 1982年 單5V EEPROM報(bào)道 1986年 256kb單層多晶硅EEPROM出現(xiàn) 1987年 Flash EEPROM提出 1989年 1Mb 1mm flash EEPROM問世 1Mb 三層多晶硅EEPROM提出 1992年 4Mb flash EEPROM (0.6mm，三阱CMOS工藝)出現(xiàn) 1993年 16Mb flash EEPROM (0.6mm，三阱，單層多晶， 多晶硅化物，單層金屬)問世； 單層Poly，用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝做成的單層多晶硅 EEPROM 問世； 4Mb FRAM問世,38,EEPROM工藝技術(shù)的發(fā)展,,39,EEPROM存儲量的發(fā)展,,40,EEPROM存儲單元面積的變化,,41,EPROM、一次編程PROM、EEPROM的性能對比,,42,EEPROM和Flash memory的性能對比,,43,,浮柵存儲器的失效表征 EEPROM中隧道氧化層的可靠性 FLOTOX EEPROM MOS管的可靠性 EEPROM的耐久性研究 EEPROM的保持特性研究 EEPROM的失效機(jī)理,44,浮柵存儲器的失效表征,用閾值窗口的退化來表征存儲的退化情況 測量方法 引起存儲器退化的原因 擦寫操作使浮柵充電和放電導(dǎo)致的閾值電壓發(fā)生了變化，且擦寫的脈沖電壓比較高，它們的上升沿對存儲器的退化起主要作用，并且擦寫次數(shù)越多，則退化越顯著。擦寫電壓越高，退化也越快。而讀操作的電壓較低，對存儲器的退化影響不明顯。,45,EEPROM中隧道氧化層的可靠性,測量方法 高場應(yīng)力對C-V、I-V特性的影響 隧道氧化層的電擊穿特性 擊穿特性曲線 擊穿機(jī)理 提高隧道氧化層質(zhì)量的措施,46,FLOTOX EEPROM的基本電學(xué)參量,,,浮柵電壓Vfg 隧穿氧化層電壓Vtun 閾值電壓Vt 漏電流Ids 隧穿電流Itun,47,浮柵電壓Vfg,,,圖 FLOTOX 的電容等效電路,其中 Ct是總電容，Ct=Cpp+Cb+Ctun； Ag是控制柵耦合率，Ag= Cpp / Ct ； Ad是漏耦合率， Ad= Ctun / Ct,48,隧穿氧化層電場 Etun,Xtun是隧穿氧化層厚度,,49,閾值電壓Vt,當(dāng)Qfg=0時(shí)，閾值電壓以Vti表示。當(dāng)浮柵上存儲電荷后，閾值電壓的改變量為：,,,,50,漏電流Ids,當(dāng) 時(shí)，,,,當(dāng) 時(shí)，,,,,其中，,51,隧穿電流Itun,a. 隧穿氧化層電場 通過隧穿氧化層的電場由兩部分電場疊加而成，一部分是由柵電壓控制的外部電場Eex，另一部分是由FN隧穿電流所建立的內(nèi)部電場Ein，則有,,,,52,,圖 編程時(shí)的典型的斜坡波形,53,,b.隧穿電流Itun 隧穿電流一般表示為FN電流的形式:,,54,FLOTOX EEPROM的可靠性,可編程窗口的退化 (耐久性) 通常所說的耐久性就是指能保持額定的閾值電壓窗口范圍內(nèi)的擦寫次數(shù)，這是評估EEPROM可靠性的重要指標(biāo)。 如果考慮氧化層電荷Qox ，則有,,可編程窗口的退化可以表示為：,,55,Floating Gate memories overview,Electrons stored in the FG ?VTH grows,Writing (Flash): Channel Hot Electron tunnelling Erasing (Flash): Fowler-Nordheim tunnelling,Main reliability issues: - Endurance (W/R/E cycles) - Data retention,56,Flash Memory的工作原理 (IV特性),57,,Decrease of the programming window as the number of P/E cycles increase Accumulation of defects in the tunnel oxide,58,保持特性的退化,保持特性：是指存儲在浮柵上的電荷能否長期保存的能力。通常用閾值電壓隨時(shí)間的變化來表征EEPROM的保持特性。 浮柵電荷泄漏量一般用閾值電壓的變化來表示。浮柵上的電荷Qfg可以表示:,,其中，n(t)是t時(shí)刻浮柵上的電荷數(shù)，q是電量。t時(shí)刻浮柵上的電荷數(shù)為,,設(shè)t=0 時(shí)刻浮柵上的電荷數(shù)為n(0),則,,59,60,隧穿氧化層的時(shí)變擊穿（TDDB）,氧化層時(shí)變擊穿（TDDB）是指在所加電壓低于臨界擊穿電場的情況下，工作一段時(shí)間后發(fā)生的擊穿。 一般來說，TDDB可以分為兩個(gè)階段： 第一個(gè)階段稱為擊穿形成階段（buildup stage） 第二階段稱為突變失控階段（rapid runaway stage） SiO2的壽命是由第一階段的時(shí)間決定的。,61,EEPROM的失效機(jī)理,影響EEPROM可靠性的因素 EEPROM的典型失效曲線 EEPROM的閾值窗口退化模型,62,n溝Flash和p溝Flash EEPROM的可靠性比較,63,64,n溝Flash和p溝Flash EEPROM的性能及可靠性的比較,65,FG cells should ensure a data retention time of 10 yrs at room temperature: low leakage from FG Accelerated electrical stresses are customarily performed in order to verify that Write/Erase electrical operations at high fields do not endanger the long time retention properties Appearance of a single failing bit is a big concern: the memory chip fails Data retention properties of irradiated FG cells: an open question,66,VTH statistical distribution,0.15mm2 FG devices I ion irradiation A secondary peak appears at ~6V The very low VTH tail is probably due to double hits (1.5% of hit cells at this fluence),