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嵌入式快闪存储器阅读:200

    嵌入式芯片自带(内嵌)的flash存储。嵌入式快闪存储器存储器 的供应商是从EPROM和EEPROM发展而来的非挥发性存储集成电路集成电路 的供应商,其主要特点是工作速度快、单元面积小、集成度高、可靠性好、可重复擦写10万次以上,数据可靠保持超过10年。

简介

    嵌入式快闪存储器是从EPROM和EEPROM发展而来的非挥发性存储集成电路,其主要特点是工作速度快、单元面积小、集成度高、可靠性好、可重复擦写10万次以上,数据可靠保持超过10年。国外从80年代开始发展,到2002年,Flash memory的年销售额超过一百亿美元,并增长迅速,到2006年,年销售额可达126亿美元/年。

特点

    嵌入式快闪存储器大量地替代EPROM、EEPROM嵌入到ASIC、CPU、DSP电路中,如TI公司的TMS320F240系列、TMS280系

    列分别含有8K—128K Words的Flash Memory,又如Microchip公司,也推出了内嵌Flash Memory的16F系列MCU产品。

    嵌入式快闪存储器电路芯片设计的核心是存储单元(Cell)设计(包括结构、读写擦方式),外围电路都是围绕其设计。因此,我们首先要研究并确定电路中采用的Flash Memory Cell。Flash Memory从结构上大体上可以分为AND、NAND、NOR和DINOR等几种,市场上两种主要的Flash Memory技术是NOR和NAND结构。

存储单元结构

    NOR存储单元

    快闪存储器的擦写技术来源于沟道热电子发射(Channel Hot-Electron Injection)与隧道效应(Fowlerordheim)。

    NOR结构的Flash memory主要用于存储指令代码及小容量数据的产品中,目前的单片最高容量为512M,NOR Flash memory产品的主要领导者为Intel公司、AMD公司、Fujitsu公司、ST Microelectronics和公司。

    NOR结构的Flash memory采用NOR SGC(Stacked Gate Cell)存储单元,是从EPROM结构直接发展而来,非常成熟的结构,采用了简单的堆叠栅构造。图1是其结构原理图。浮栅的充电(写)是通过传统的沟道热电子发射(CHEI)在漏端附近完成的;浮栅的放电(擦除)在源端通过隧道氧化层的隧道效应来实现。

    该结构的特点是单元面积小,同EPROM的面积相当,编程(写)时间短,在10μs左右,源漏结可以分开优化,漏结优化沟道热电子发射,源结优化隧道效应,采用了自对准工艺。

    隧道效应存储单元

    隧道效应存储单元是目前快速发展的快闪存储器生产技术,在快闪存储器中一般组成NAND存储阵列,单元面积小,其工艺较简单,容量大,成本低,适用于低价格、高容量、速度要求不高的Flash memory客户用于数据存储;在MP3、PAD、数码相机、2.5G及3G无线系统中得到了广泛的应用。NAND快闪存储器产品的生产工艺已达到0.13μm,单片电路的存储容量超过1Gb。

    隧道效应存储单元编程、擦除通过隧道氧化层的隧道效应来实现,类似EEPROM,其优点是在编程时可以工作在2.5V的源漏电压下,功耗低,非常适合非接触式IC卡,同时NAND阵列的单元面积是NORSGC单元面积的二分之一,适合于大容量集成。

    源侧热电子发射存储单元

    源侧热电子发射存储单元存储单元浮栅的充电(写)是通过沟道热电子发射,在源端附近完成的;浮栅的放电(擦除)在漏端通过隧道氧化层的隧道效应来实现。在编程(写)过程中由于部分沟道由CG栅(1.5V)控制,改进了NOR SGC单元的编程(写)电流大、优化了沟道热电子发射效率,编程时的源漏电压可低至3.3V。其存在的问题是必须在数据线译码中使用大量高压开关,电路设计复杂,沟道热电子发射没有完全优化、读出电流小、工艺也比较复杂。

干扰与可靠性

    存储单元与电路设计的可靠性问题

    存储单元的阈值电压是擦写及读出过程的函数,因此要优化擦写过程的工作条件,提高工艺质量,特别是隧道氧化层、双多晶内氧化层在高场强下的质量与寿命,降低氧化层中陷阱(trap)的产生。图10是0.5μm单元在擦写循环后的阈值电压的变化。

    超擦(Overerase)

    超擦NORSGC存储单元存在的主要问题,由于NOR阵列中的存储单元没有选择管,在字线上所有的存储单元漏端连在一起,如果在擦除后,某些单元的阈值电压特别低,在读出过程中,在非选择栅压下(通常为0V),几个单元有漏电,则字线上读不出正确的数据(见图11),特别是多次擦写循环后,增加了阈值电压的不确定性,因此需要在电路中设计验证电路。改进型SSI存储单元由于存在选择管,未选中的单元选择管关闭,因此基本上不受超擦漏电的影响。

    软写(Soft-Write)

    在电路正常工作时,读在浮栅上存储有正电荷(“1”电平)的单元,由于有沟道电流,以及在浮栅上有正电压存在,因此有少量的热电子发射,产生软写效应,长时间会使工作存储的信息丢失,为保证电路存储的信息保存时间超过十年,要对单元正常工作电压进行优化,改进型SSI存储单元的软写结果见图12,在电路设计中选择了2V漏源工作电压,可保证数据保存超过十年。

    擦除干扰(Erase Disturb)

    当电路中存在Sector擦除,并且不同Sector的单元漏端连接到同一条数据线(Bit Line)上时,要考虑到对选定的Sector擦除时,对非选择Sector的擦除干扰。

    擦除干扰有二种形式:一是对选定的Sector擦除时,由于不同Sector的单元漏端连接到同一条数据线,非选择Sector的单元漏源上加有5V电压,如果单元存在漏电,就会有不希望的热电子发射;其二在已擦除的单元的浮栅上存在负电压,而非选择Sector的单元漏端上加有5V电压,因此在隧道氧化层有一定的电场强度,可能引起寄生隧道效应。

    编程干扰(Program Disturb)

    由于在同一控制栅或编程栅下单元的控制栅或编程栅是连接在一起的,因此在字节编程时,会对非选择的字节产生编程干扰。在编程时,改进型SSI结构的存储单元的高压加在编程栅,编程干扰主要考虑寄生隧道效应,通过合理设计存储单元与电路来解决。

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