第十一章半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

1、夏煒煒夏煒煒揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院E-mail：2022-6-29232022-6-29內(nèi)容提要n概述概述 存儲(chǔ)器的分類存儲(chǔ)器的分類 存儲(chǔ)器的容量存儲(chǔ)器的容量 存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)n只讀存儲(chǔ)器（只讀存儲(chǔ)器（ROM）n非揮發(fā)存儲(chǔ)器（非揮發(fā)存儲(chǔ)器（NVRWM）n隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）42022-6-291.存儲(chǔ)器分類存儲(chǔ)器分類RWM非揮發(fā)存儲(chǔ)器非揮發(fā)存儲(chǔ)器（NVRWM）只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器（ROM）Random AccessNon-Random AccessEPROM固定式只讀存儲(chǔ)器（Mask-programmed）SRAM (cache, re

2、gister file)FIFO/LIFOE2PROMDRAMShift RegisterCAMFLASH可編程只讀存儲(chǔ)器 (PROM)一、概述一、概述存儲(chǔ)器是用來存放（記憶）數(shù)據(jù)、指令、程存儲(chǔ)器是用來存放（記憶）數(shù)據(jù)、指令、程序等信息，并根據(jù)需要能讀出或既能讀出又序等信息，并根據(jù)需要能讀出或既能讀出又能寫入這些信息的集成電路能寫入這些信息的集成電路52022-6-29存儲(chǔ)容量：存儲(chǔ)單元的總數(shù)。存儲(chǔ)容量：存儲(chǔ)單元的總數(shù)。2.存儲(chǔ)器的容量存儲(chǔ)器的容量一個(gè)存儲(chǔ)單元可存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)制一個(gè)存儲(chǔ)單元可存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)制數(shù)位（數(shù)位（bit）字長(zhǎng)：字的位數(shù)稱為字長(zhǎng)。如字長(zhǎng)：字的位數(shù)稱為字長(zhǎng)。如4位、位、8位、位、

3、16位、位、32位等。位等。因此，存儲(chǔ)容量常用因此，存儲(chǔ)容量常用“N（個(gè)字）（個(gè)字）M（位）（位）”表示。表示。如：如：1024位的存儲(chǔ)器，若字長(zhǎng)為位的存儲(chǔ)器，若字長(zhǎng)為8，則存儲(chǔ)，則存儲(chǔ)128個(gè)字（個(gè)字（1288）。）。62022-6-291D Memory 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)Word 0Word 1Word 2Word n-1Word n-2StorageCellm bitsn wordsS0S1S2S3Sn-2Sn-1Input/Outputn words n 個(gè)選擇信號(hào)個(gè)選擇信號(hào)Word 0Word 1Word 2Word n-1Word n-2StorageCellm bitsS0S1S2S3S

4、n-2Sn-1Input/OutputA0A1Ak-1Decoder通過譯碼器通過譯碼器 ：輸入信號(hào)數(shù)：輸入信號(hào)數(shù)k = log2 n3.存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)72022-6-292D Memory結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)A0Row DecoderA1Aj-1靈敏放大器靈敏放大器位線位線 ( bit line ) 字線字線 ( word line )存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元(storage cell)行地址行地址列地址列地址AjAj+1Ak-1讀讀/寫電路寫電路Column Decoder2k-j2jInput/Output (m bits)82022-6-293D Memory 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)Row AddrColum

5、n AddrBlock AddrInput/Output (m bits)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 1. 更短的字或位線更短的字或位線 2. 塊地址選擇只激活一個(gè)塊，因此節(jié)省功耗塊地址選擇只激活一個(gè)塊，因此節(jié)省功耗92022-6-29存儲(chǔ)器的構(gòu)成： 1.存儲(chǔ)陣列 2.地址譯碼器（行和列地址譯碼器） 3.讀寫電路102022-6-29二、只讀存儲(chǔ)器二、只讀存儲(chǔ)器ROM(Read Only Memory)WLBLWLBL1WLBLWLBLWLBL0VDDWLBLGNDDiode ROMMOS ROM 1MOS ROM 21.只讀存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元只讀存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元112022-6-292.MOS OR ROMW

6、L0VDDBL0WL1WL2WL3VbiasBL1Pull-down loadsBL2BL3VDD122022-6-293.MOS NOR ROMWL0GNDBL0WL1WL2WL3VDDBL1Pull-up devicesBL2BL3GND132022-6-29MOS NOR ROM Layout 1用擴(kuò)散層編程用擴(kuò)散層編程PolysiliconMetal1DiffusionMetal1 on Diffusion面積小面積小142022-6-29MOS NOR ROM Layout 2PolysiliconMetal1DiffusionMetal1 on Diffusion用接觸孔編程用接觸

7、孔編程工序?yàn)楹笃?，因此不工序?yàn)楹笃冢虼瞬挥迷跀U(kuò)散層就等用戶用在擴(kuò)散層就等用戶152022-6-294.MOS NAND ROM默認(rèn)情況下字線為高，被選中時(shí)為低。默認(rèn)情況下字線為高，被選中時(shí)為低。WL0WL1WL2WL3VDDPull-up devicesBL3BL2BL1BL0字線工作在負(fù)邏輯字線工作在負(fù)邏輯162022-6-29MOS NAND ROM Layout1不需要到不需要到VDD和和GND的接觸孔的接觸孔;跟跟 NOR ROM相比，性能有所下降。相比，性能有所下降。進(jìn)一步更加減小了版圖面積；進(jìn)一步更加減小了版圖面積；PolysiliconDiffusionMetal1 on Di

8、ffusion用金屬用金屬1層編程層編程用金屬將不需要的晶體管源漏短路用金屬將不需要的晶體管源漏短路172022-6-29NAND ROM Layout2PolysiliconThreshold-alteringimplantMetal1 on Diffusion用離子注入層編，用離子注入層編，需增加一道工序需增加一道工序注入注入n型雜質(zhì)降型雜質(zhì)降低閾值使其變成低閾值使其變成耗盡型，相當(dāng)于耗盡型，相當(dāng)于短路短路182022-6-29普通普通OR、NOR、NAND結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)n靜態(tài)功耗大，當(dāng)輸出為低（NOR、NAND）或高（OR）時(shí)，存在一個(gè)從VDD到GND的靜態(tài)電流通路。WL0GNDBL0

9、WL1WL2WL3VDDBL1Precharge devicesBL2BL3GNDpre預(yù)沖管充電時(shí)，所有下拉管（字線控制的管子）關(guān)斷。預(yù)沖管充電時(shí)，所有下拉管（字線控制的管子）關(guān)斷。優(yōu)點(diǎn)：消除了靜態(tài)功耗。優(yōu)點(diǎn)：消除了靜態(tài)功耗。缺點(diǎn)：增加了時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生電路缺點(diǎn)：增加了時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生電路preWL0202022-6-296.地址譯碼器(1).行譯碼器 行譯碼器的任務(wù)是從存儲(chǔ)陣列諸多行中選中所需的行b. NAND譯碼器譯碼器a. NOR譯碼器譯碼器n行譯碼器n列譯碼器212022-6-29Precharge devicesVDDf fGNDWL3WL2WL1WL0A0A0GNDA1A1f fWL3A

10、0A0A1A1WL2WL1WL0VDDVDDVDDVDD2-input NOR decoder2-input NAND decoder規(guī)模較大時(shí)，規(guī)模較大時(shí)，NOR譯碼器譯碼速度快，但占面積譯碼器譯碼速度快，但占面積大大,NAND譯碼器面積小，但因管子串聯(lián)較多速度慢譯碼器面積小，但因管子串聯(lián)較多速度慢兩級(jí)譯碼方式兩級(jí)譯碼方式222022-6-29NAND譯碼器譯碼器NOR譯碼器譯碼器232022-6-29兩級(jí)譯碼方式兩級(jí)譯碼方式98765432100AAAAAAAAAAWL )( )( )( )( )(98765432100AAAAAAAAAAWL A2A2A2A3WL0A2A3A2A3A2A

11、3A3A3A0A0A0A1A0A1A0A1A0A1A1A1WL1大大減少了串聯(lián)晶體管，大大減少了串聯(lián)晶體管，增加了速度。增加了速度。242022-6-29(2).列譯碼器 A0S0BL0BL1BL2BL3A1S1S2S3D優(yōu)點(diǎn)：每個(gè)信號(hào)傳輸路徑上只增加了一個(gè)傳輸門，對(duì)速度影響小優(yōu)點(diǎn)：每個(gè)信號(hào)傳輸路徑上只增加了一個(gè)傳輸門，對(duì)速度影響小缺點(diǎn)：晶體管數(shù)目多缺點(diǎn)：晶體管數(shù)目多基于傳輸門的列譯碼器基于傳輸門的列譯碼器譯譯碼碼器器252022-6-29BL0BL1BL2BL3DA0A0A1A1樹型列譯碼器樹型列譯碼器優(yōu)點(diǎn)：晶體管數(shù)目大量減少優(yōu)點(diǎn)：晶體管數(shù)目大量減少缺點(diǎn)：速度減慢缺點(diǎn)：速度減慢解決方法：加緩

12、沖器解決方法：加緩沖器xxxxxPrCA3CA2CA1CA0RA3RA2RA1RA0DoutxxxxxPrCA3CA2CA1CA0RA3RA2RA1RA0Dout282022-6-29ROM的編程與分類的編程與分類掩模ROM可編程ROM（PROM）UCC字線Wi位線Di熔絲(a)(b)字線熔絲位線字線Wi位線Di(a)V1V2位線Di字線Wi(b)熔絲型PROM存儲(chǔ)單元PN結(jié)擊穿法PROM存儲(chǔ)單元292022-6-29Floating gateSourceSubstrateGateDrainn+n+_ptoxtox器件截面圖器件截面圖電路符號(hào)電路符號(hào)GSD1. Floating-Gate Tr

13、ansistor (EPROM)三、非揮發(fā)性存儲(chǔ)器三、非揮發(fā)性存儲(chǔ)器302022-6-29浮柵晶體管的編程過程0 V0 VDS5 V5 VDS .20 V20 VDS加上高的編程電壓加上高的編程電壓后，發(fā)生雪崩倍增后，發(fā)生雪崩倍增產(chǎn)生的高能熱電子產(chǎn)生的高能熱電子注入浮柵注入浮柵一般用紫外擦除一般用紫外擦除電壓移去后，電壓移去后，電荷依然存在電荷依然存在加上普通工作加上普通工作電壓后，由于電壓后，由于晶體管閾值電晶體管閾值電壓被抬高從而壓被抬高從而不導(dǎo)通不導(dǎo)通312022-6-29A “Programmable-Threshold” Transistor“ 0”-state“ 1”-stateD

14、VTVWLVGS“ON”“OFF”ID322022-6-29特點(diǎn)：特點(diǎn)：1.只能只能“系統(tǒng)外系統(tǒng)外”擦除，擦除時(shí)間長(zhǎng)；擦除，擦除時(shí)間長(zhǎng)；2.位密度高，價(jià)格低。位密度高，價(jià)格低。332022-6-292.EEPROM (電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器)Floating gateSourceSubstratepGateDrainn+n+Fowler-Nordheim I-V characteristic2030 nm-10 V10 VIVGD氧化層厚度氧化層厚度10 nm342022-6-29EEPROM的編程過程的編程過程10V0V隧道擊穿機(jī)理隧道擊穿機(jī)理電子注入浮動(dòng)?xùn)艠O電子注

15、入浮動(dòng)?xùn)艠O移去編程電壓后移去編程電壓后電荷仍被捕獲電荷仍被捕獲5V5V編程形成了較高的編程形成了較高的閾值電壓閾值電壓352022-6-29EEPROM的擦除過程的擦除過程0V10V隧道擊穿機(jī)理隧道擊穿機(jī)理電子注出浮動(dòng)?xùn)艠O電子注出浮動(dòng)?xùn)艠O擦除后恢復(fù)擦除后恢復(fù)未編程狀態(tài)未編程狀態(tài)過擦除形成過擦除形成耗盡型晶體管耗盡型晶體管0V10V問題：標(biāo)準(zhǔn)字線無法關(guān)斷晶體管問題：標(biāo)準(zhǔn)字線無法關(guān)斷晶體管362022-6-29B2讀出錯(cuò)誤！讀出錯(cuò)誤！372022-6-29EEPROM CellWLBLVDD 2 transistor cell被編程晶體管閾值大于被編程晶體管閾值大于VDD,相當(dāng)于開路相當(dāng)于開路未被

16、編程晶體管處于常通狀態(tài)未被編程晶體管處于常通狀態(tài)382022-6-29WL控制柵控制柵2 2浮柵浮柵1 1VDDe-e-N+N+N+選擇晶體管選擇晶體管BLGndFN隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)Psub特點(diǎn)：特點(diǎn)：1.可按位（字節(jié)）擦除；可按位（字節(jié)）擦除；2.每個(gè)單元需要每個(gè)單元需要2個(gè)晶體管，位密度個(gè)晶體管，位密度低，價(jià)格比低，價(jià)格比EPROM高。高。392022-6-293.Flash EEPROMControl gateerasurep-substrateFloating gateThin tunneling oxiden+sourcen+drainprogramming編程：熱電子注入編程：熱電

17、子注入擦除：隧穿機(jī)理擦除：隧穿機(jī)理402022-6-29Cross-sections of NVM cellsEPROMFlash412022-6-29Basic Operations in a NOR Flash MemoryWriteSD12 V6 VGBL0BL16 V 0 VWL0WL112 V0 V0 V422022-6-29Basic Operations in a NOR Flash MemoryRead5 V1 VGSDBL0BL11 V 0 VWL0WL15 V0 V0 V432022-6-29Basic Operations in a NOR Flash MemoryEra

18、seSD12 VGcellarrayBL0BL1openopenWL0WL10 V0 V12 V特點(diǎn)：特點(diǎn)：1.須按塊擦除；須按塊擦除；2. 位密度高，速度快位密度高，速度快442022-6-29Characteristics of State-of-the-art NVM452022-6-29q 靜態(tài)讀寫存儲(chǔ)器靜態(tài)讀寫存儲(chǔ)器 (SRAM)q 動(dòng)態(tài)態(tài)讀寫存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)態(tài)讀寫存儲(chǔ)器 (DRAM)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)保存時(shí)間長(zhǎng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)保存時(shí)間長(zhǎng)面積大面積大 (6 transistors/cell)快快需要周期性刷新需要周期性刷新面積小面積小 (1-3 transistors/cell)慢慢462022-6-29時(shí)

19、序電路的時(shí)序電路的存儲(chǔ)機(jī)理？存儲(chǔ)機(jī)理？0110011靜態(tài)保持靜態(tài)保持動(dòng)態(tài)保持動(dòng)態(tài)保持11472022-6-29基本基本SRAMSRAM單元和電壓傳輸特性單元和電壓傳輸特性字線字線位位線線位線位線qq211. SRAM482022-6-29WLBLVDDM5M6M4M1M2M3BLQQVDDVDDCCCCP208 圖圖10.37 (1) 6管管CMOS SRAM單元單元492022-6-29CMOS SRAM Analysis (Read)WLBLVDDM5M6M4M1M2M3BLQ=1Q=0VDDVDDCCCC讀信號(hào)時(shí)根據(jù)讀信號(hào)時(shí)根據(jù)位線上電平是位線上電平是否有變化判斷否有變化判斷為為“1”或

20、或“0”無變化無變化有變化有變化502022-6-29CMOS SRAM Analysis (Write) WLBL=1VDDM5M6M4M1M2M3BL=0Q=0Q=1512022-6-296T-SRAM Layout VDDGNDQQWLBLBLM1M3M4M2M5M6WLBL=1VDDM5M6M4M1M2M3BL=0Q=0Q=1522022-6-29Resistance-load SRAM CellM3RLRLVDDWLQQM1M2M4BLBL532022-6-29SRAM Characteristics542022-6-29(2)差分靈敏放大器（用于差分靈敏放大器（用于SRAM）M4M

21、1M5M3M2VDDbitbitSEy偏置電偏置電流源流源ISS電流鏡電流鏡I3I4I3=I4OUT穩(wěn)態(tài)時(shí)，穩(wěn)態(tài)時(shí)，I1=I2=ISS/2I1I21.設(shè)設(shè)bit下降到一個(gè)規(guī)定下降到一個(gè)規(guī)定值時(shí)使得值時(shí)使得M1關(guān)斷，則關(guān)斷，則 I3=I4=0 I2=ISSOUT恒流放電至恒流放電至02.設(shè)設(shè)bit下降到一個(gè)規(guī)定下降到一個(gè)規(guī)定值時(shí)使得值時(shí)使得M2關(guān)斷，則關(guān)斷，則 I1=ISS I2=0 I3=I4=ISSOUT恒流充電至恒流充電至VDD552022-6-292. DRAM WWLBL1M1XM3M2CSBL2RWLVDDVDD-VTDVVDD-VTBL2BL1XRWLWWL(1) 3管管DRAM單

22、元單元562022-6-293T-DRAM LayoutBL2BL1GNDRWLWWLM3M2M1WWLBL1M1XM3M2CSBL2RWL572022-6-29 Write:通過字線和位線通過字線和位線CS被充電或放電被充電或放電. Read: 電荷在存儲(chǔ)電容和位線電容之間進(jìn)行再分配電荷在存儲(chǔ)電容和位線電容之間進(jìn)行再分配電壓變化量較小電壓變化量較小; 典型值大約典型值大約 250 mV.D VBLVPRE(VBITVPRE )CSCSCBL+-=VM1CSWLBLCBLVDD2VTWLXsensingBLGNDWrite 1Read 1VDDVDD/2VDD/2破壞性讀，需動(dòng)態(tài)破壞性讀，需動(dòng)態(tài)恢復(fù)刷新恢復(fù)刷新(2) 1管管DRAM單元單元X重分配后位重分配后位線電壓線電