嵌入式快閃存儲(chǔ)器（Flash Memory）技術(shù)

1 概述

隨著數(shù)碼時(shí)代的來(lái)臨，除了PC外，越來(lái)越多的數(shù)碼信息產(chǎn)品正在或即將進(jìn)入我們的家庭：移動(dòng)電話、掌上電腦、數(shù)碼相機(jī)、GPS等等，這些產(chǎn)品越來(lái)越多的使用各種移動(dòng)微存儲(chǔ)器。這些存儲(chǔ)器中很大部分是快閃存儲(chǔ)器(Flash Memory)。

Flash memory是從EPROM和EEPROM發(fā)展而來(lái)的非揮發(fā)性存儲(chǔ)集成電路，其主要特點(diǎn)是工作速度快、單元面積小、集成度高、可靠性好、可重復(fù)擦寫10萬(wàn)次以上，數(shù)據(jù)可靠保持超過(guò)10年。國(guó)外從80年代開(kāi)始發(fā)展，到2002年，F(xiàn)lash memory的年銷售額超過(guò)一百億美元，并增長(zhǎng)迅速，預(yù)計(jì)到2006年，年銷售額可達(dá)126億美元／年。到目前，用于Flash memory生產(chǎn)的技術(shù)水平已達(dá)0．13μm，單片存儲(chǔ)量達(dá)幾千兆。

除大容量存儲(chǔ)器應(yīng)用外，F(xiàn)lash Memory也大量地替代EPROM、EEPROM嵌入到ASIC、CPU、DSP電路中，如TI公司的TMS320F240系列、TMS280系
列分別含有8K—128K Words的Flash Memory，又如Microchip公司，也推出了內(nèi)嵌Flash Memory的16F系列MCU產(chǎn)品。

Flash Memory電路芯片設(shè)計(jì)的核心是存儲(chǔ)單元(Cell)設(shè)計(jì)(包括結(jié)構(gòu)、讀寫擦方式)，外圍電路都是圍繞其設(shè)計(jì)。因此，我們首先要研究并確定電路中采用的Flash Memory Cell。Flash Memory從結(jié)構(gòu)上大體上可以分為AND、NAND、NOR和DINOR等幾種，現(xiàn)在市場(chǎng)上兩種主要的Flash Memory技術(shù)是NOR和NAND結(jié)構(gòu)。

本文分析了NOR和NAND結(jié)構(gòu)的快閃存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用特點(diǎn)，給出了一種適合嵌人的改進(jìn)型SSI存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，并對(duì)其的工作原理、性能、組成的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元陣列、及可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

2 存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)

2．1 NOR存儲(chǔ)單元

快閃存儲(chǔ)器的擦寫技術(shù)來(lái)源于溝道熱電子發(fā)射(Channel Hot-Electron Injection)與隧道效應(yīng)(Fowlerordheim)。

NOR結(jié)構(gòu)的Flash memory主要用于存儲(chǔ)指令代碼及小容量數(shù)據(jù)的產(chǎn)品中，目前的單片最高容量為512M，NOR Flash memory產(chǎn)品的主要領(lǐng)導(dǎo)者為Intel公司、AMD公司、Fujitsu公司、ST Microelectronics和公司。

NOR結(jié)構(gòu)的Flash memory采用NOR SGC(Stacked Gate Cell)存儲(chǔ)單元，是從EPROM結(jié)構(gòu)直接發(fā)展而來(lái)，非常成熟的結(jié)構(gòu)，采用了簡(jiǎn)單的堆疊柵構(gòu)造。圖1是其結(jié)構(gòu)原理圖。浮柵的充電(寫)是通過(guò)傳統(tǒng)的溝道熱電子發(fā)射(CHEI)在漏端附近完成的；浮柵的放電(擦除)在源端通過(guò)隧道氧化層的隧道效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。



該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是單元面積小，同EPROM的面積相當(dāng)，編程(寫)時(shí)間短，在10μs左右，源漏結(jié)可以分開(kāi)優(yōu)化，漏結(jié)優(yōu)化溝道熱電子發(fā)射，源結(jié)優(yōu)化隧道效應(yīng)，采用了自對(duì)準(zhǔn)工藝。

隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，存儲(chǔ)單元的特征尺寸越來(lái)越小，工作電壓降低，帶來(lái)的負(fù)面影響是熱電子發(fā)射效率降低，編程時(shí)較難工作于4V漏源電壓下。為提高熱電子發(fā)射效率，需要對(duì)源結(jié)、漏結(jié)、溝道摻雜分布進(jìn)行優(yōu)化1，整體工藝較復(fù)雜，編程電流也較大，大約400μA／bit(0．5μm)技術(shù)。工藝流程以0．25μm-0．35μm產(chǎn)品為例，采用DPDM制造的快閃存儲(chǔ)器需要23塊Mask版，進(jìn)行27次光刻。

2．2 隧道效應(yīng)存儲(chǔ)單元

隧道效應(yīng)存儲(chǔ)單元是目前快速發(fā)展的快閃存儲(chǔ)器生產(chǎn)技術(shù)，在快閃存儲(chǔ)器中一般組成NAND存儲(chǔ)陣列，單元面積小，其工藝較簡(jiǎn)單，容量大，成本低，適用于低價(jià)格、高容量、速度要求不高的Flash memory客戶用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；在MP3、PAD、數(shù)碼相機(jī)、2．5G及3G無(wú)線系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。NAND快閃存儲(chǔ)器產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝已達(dá)到0．13μm，單片電路的存儲(chǔ)容量超過(guò)1Gb。

圖2是隧道效應(yīng)存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)原理圖，其編程、擦除通過(guò)隧道氧化層的隧道效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，類似EEPROM，其優(yōu)點(diǎn)是在編程時(shí)可以工作在2．5V的源漏電壓下，功耗低，非常適合非接觸式IC卡，同時(shí)NAND陣列的單元面積是NORSGC單元面積的二分之一，適合于大容量集成。



隧道效應(yīng)存儲(chǔ)單元擦寫工作電壓高，一般要求達(dá)到16V-20V，對(duì)器件、電路的設(shè)計(jì)要求高，編程(寫)時(shí)間較長(zhǎng)，在50μs-100μs，不適合字節(jié)編程，適用于大容量頁(yè)編程，像EEPROM一樣，編程時(shí)，加在隧道氧化層上電場(chǎng)強(qiáng)度高，存在SILC(stress induced leakage currents)效應(yīng)，對(duì)工藝要求高。

2．3 源側(cè)熱電子發(fā)射(SSI)存儲(chǔ)單元

在九十年代初，報(bào)道了SSI(Source-Sidehotelectron Injection)存儲(chǔ)單元，結(jié)合了NORSGC單元的快速編程與隧道效應(yīng)存儲(chǔ)單元編程功耗低的特點(diǎn)，其原理為split-gate concept2，圖3是其編程原理。



SSI存儲(chǔ)單元浮柵的充電(寫)是通過(guò)溝道熱電子發(fā)射，在源端附近完成的；浮柵的放電(擦除)在漏端通過(guò)隧道氧化層的隧道效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在編程(寫)過(guò)程中由于部分溝道由CG柵(1．5V)控制，改進(jìn)了NOR SGC單元的編程(寫)電流大、優(yōu)化了溝道熱電子發(fā)射效率，編程時(shí)的源漏電壓可低至3．3V。其存在的問(wèn)題是必須在數(shù)據(jù)線譯碼中使用大量高壓開(kāi)關(guān)，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，溝道熱電子發(fā)射沒(méi)有完全優(yōu)化、讀出電流小、工藝也比較復(fù)雜。

圖4是我們采用的、也是本文主要討論的改進(jìn)型SSI結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，在存儲(chǔ)單元中增加了編程?hào)艁?lái)提高CHEI效率(效率的提高見(jiàn)圖5)。其優(yōu)點(diǎn)有工藝簡(jiǎn)單，只要在數(shù)字CMOS邏輯電路的基礎(chǔ)上增加三次光刻(高壓NWELL、高壓MOS管選擇氧化、Fowler-Nordheim N+埋層注人)就能完成整個(gè)電路工藝制造，易于嵌入到普通ASIC電路中；Flash Cell源漏電壓在3．3V就能完成編程工作，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)；編程速度快，0．5μm Flash Cell源漏電壓在5V的情況下，編程時(shí)間優(yōu)于500ns，在3．3V下小于10μs，非常適合嵌人式電路設(shè)計(jì)。