√半導(dǎo)體存儲器-分類、結(jié)構(gòu)和性能

#J半導(dǎo)體存儲器一一分類、結(jié)構(gòu)和性能半導(dǎo)體存儲器（解說）

——分類、結(jié)構(gòu)和性能——作者：XieM.X.（UESTC,成都市）計算機等許多系統(tǒng)中都離不開存儲器。存儲器就是能夠存儲數(shù)據(jù)、并且根據(jù)地址碼還可以讀出其中數(shù)據(jù)的一種器件。存儲器有兩大類：磁存儲器和半導(dǎo)體存儲器。（1）半導(dǎo)體存儲器的分類和基本結(jié)構(gòu)：半導(dǎo)體存儲器是一種大規(guī)模集成電路，它的分類如圖1所示。半導(dǎo)體存儲器根據(jù)其在切斷電源以后能否保存數(shù)據(jù)的特性，可區(qū)分為不揮發(fā)性存儲器和易揮發(fā)性存儲器兩大類。磁存儲器也都是不揮發(fā)性存儲器。半導(dǎo)體存儲器也可根據(jù)其存儲數(shù)據(jù)的方式不同，區(qū)分為隨機存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）兩大類。RAM可以對任意一個存儲單元、以任意的次序來存/?。醋x出/寫入）數(shù)據(jù)，并且存/取的時間都相等。ROM則是在制造時即已經(jīng)存儲好了數(shù)據(jù)，一般不具備寫入功能，只能讀出數(shù)據(jù)（現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展出了多種既可讀出、又可寫入的ROM)。半導(dǎo)體存儲器還可以根據(jù)其所采用工藝技術(shù)的不同，區(qū)分為MOS存儲器和雙極型存儲器兩種。采用MOS工藝制造的稱為MOS存儲器；MOS存儲器具有密度高、功耗低、輸入阻抗高和價格便宜等優(yōu)點，用得最多。采用雙極型工藝制造的，稱為雙極型存儲器；雙極型存儲器的優(yōu)點就是工作速度高。半導(dǎo)體存一器圖1半導(dǎo)體存儲器的分類半導(dǎo)體存儲器的基本結(jié)構(gòu)就是存儲器陣列及其它電路。存儲器陣列(memoryarray)是半導(dǎo)體存儲器的主體，用以存儲數(shù)據(jù)；其他就是輸入端的地址碼緩存器、行譯碼器、讀出放大器、列譯碼器和輸出緩沖器等組成。各個存儲單元處在字線（WL，wordline）與位線（BL,bitline）的交點上。如果存儲器有N個地址碼輸入端，則該存儲器就具有2n比特的存儲容量；若存儲器陣列有2n根字線，那么相應(yīng)的就有2N-n條位線（相互交叉排列）。在存儲器讀出其中的數(shù)據(jù)時，首先需通過地址碼緩存器把地址碼信號送入到行譯碼器、并進入到字線，再由行譯碼器選出一個WL，然后把一個位線上得到的數(shù)據(jù)（微小信號）通過讀出放大器進行放大，并由列譯碼器選出其中一個讀出放大器，把放大了的信號通過多路輸出緩沖器而輸出。在寫入數(shù)據(jù)時，首先需要把數(shù)據(jù)送給由列譯碼器選出的位線，然后再存入到位線與字線相交的存儲單元中。當(dāng)然，對于不必寫入數(shù)據(jù)的ROM（只讀存儲器）而言，就不需要寫入電路。（2）RAM和ROM的比較：RAM（隨機存取存儲器）中的每一個單元都有x-y地址，這不同于其他串行存儲器（如磁存儲器）。RAM大體上可分為SRAM（靜態(tài)RAM）和DRAM（動態(tài)RAM）兩種，SRAM是能夠長期保留數(shù)據(jù)的存儲器（只要不斷開電源），而DRAM則是需要不斷“刷新”（即不斷進行存儲動作）的存儲器。ROM（只讀存儲器）的體系結(jié)構(gòu)與RAM類似，則ROM也具有隨機存取的能力；ROM又稱為讀寫存儲器。RAM和ROM的讀出過程完全相同，但是其讀出（?。┖蛯懭耄ù妫┑念l率不同：RAM的讀/寫機會幾乎相等；而ROM的讀出頻率一般要遠高于其寫入頻率。ROM具有定向?qū)懭肽芰Γ蓮臎]有任何寫入能力的純ROM寫入到EEPROM）；ROM的壽命（寫入/擦除的次數(shù)）在104次以上。此外，ROM比RAM的尺寸小、性價比高。因此，只要是沒有繁瑣寫入時都可采用ROM，例如查表（代碼轉(zhuǎn)換、字符發(fā)生、三角函數(shù)等）；也可用于存儲邏輯功能（如可編程邏輯器件）和例行程序。（3）典型的半導(dǎo)體存儲器：①SRAM（靜態(tài)RAM）：“靜態(tài)”即表示只要電源不斷，就能夠穩(wěn)定地保存數(shù)據(jù)。SRAM在實質(zhì)上就是一個雙穩(wěn)態(tài)的觸發(fā)器。在圖2中示出了由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成的一種SRAM陣列。BL上面的橫線表示互補。圖2 2X2的CMOS-SRAM陣列?存儲單元的構(gòu)成：在圖2的每一個單元中都包含有兩個反向并聯(lián)的倒相器和兩個傳輸門晶體管，即為六個晶體管的單元（6T存儲單元）。這里采用了CMOS器件，故這種6T存儲單元也稱為CMOS型存儲單元。6T存儲單元中的p-MOSFET為負載管，因為該負載管的電流大小不是關(guān)鍵因素，故可用面積較小的TFT（薄膜晶體管）來代替，也可以采用電阻來代替。若采用電阻負載的存儲單元，則稱為高阻負載型存儲單元（或稱為4T存儲單元）；實際上這里的電阻負載往往采用耗盡型MOS二極管來代替。?兩種存儲單元的比較：CMOS型存儲單元包括兩個反相器和兩個傳輸門，共有兩種型式（p型和n型）的6個晶體管，因此結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。但是，CMOS型存儲單元的功耗?。ㄖ绷麟娏鳎?.1pA）、動態(tài)范圍大和工作溫度范圍寬，從而在SRAM存儲單元的周圍電路中也都采用CMOS；于是，因待機時的耗電＜0.1pA，所以在利用電池工作時可以保存數(shù)據(jù)達十年以上。高阻負載型存儲單元的結(jié)構(gòu)較簡單，其負載電阻可以采用堆積在晶體管上的多晶硅布線層來構(gòu)成，因此是一種立體結(jié)構(gòu)。通過加大負載電阻，可以把存儲單元消耗的電流降低到1pA數(shù)量級，并且通過采用CMOS的周圍電路可以獲得待機時的耗電為1uA數(shù)量級；因此，利用電池可以把數(shù)據(jù)保存兩年左右。然而由于負載電阻較大，則這種雙穩(wěn)態(tài)電路難以確保在保持和讀出數(shù)據(jù)時的穩(wěn)定性。?SRAM的特點和應(yīng)用：與DRAM相比，雖然SRAM存儲單元所需要的晶體管數(shù)目較多（6T或者4T）,故不利于大規(guī)模集成。但是SRAM讀出數(shù)據(jù)的速度較快（因為在讀出時不會破壞存儲單元本身的數(shù)據(jù)），并且保存數(shù)據(jù)所需要的耗電也較小，所以SRAM通常用作為與高速處理器之間傳遞數(shù)據(jù)的存儲器超高速緩沖存儲器（cachememory）或者攜帶式電子設(shè)備的存儲器。②DRAM（動態(tài)RAM）：DRAM的存儲單元由一個電容器和一個晶體管（1Tr/1Cap）組成，這里的電容器用以存儲數(shù)據(jù)電荷，而晶體管起著電荷傳輸門的作用（晶體管采用共柵接法，速度較快）。圖3示出的是由單管單元構(gòu)成的DRAM陣列。?工作原理和基本特性：DRAM的工作：當(dāng)電容器與晶體管連接的記憶節(jié)點上「L-i* ?r， *的電位為電源電壓（Vs）時， pp存儲單元的數(shù)據(jù)即對應(yīng)于-“1”,當(dāng)記憶節(jié)點上的電位為 1工地電位（0V）時，存儲單元 圖3單管單元的DRAM陣列的數(shù)據(jù)即對應(yīng)于“0”。加在電容器多晶硅電極上的電壓為恒定值（即設(shè)定為記憶節(jié)點上的最大電位的一半，大約為VCC/2），以使得作用在電容器氧化層上的電場盡量小。存儲電荷數(shù)量的估算（以1Mbit的DRAM為例）：為了防止存儲器集成電路發(fā)生因a粒子的電離作用而引起的軟擊穿（soft-error）,往往就要求電容器存儲有一定數(shù)量的電荷，即要求電容器具有一定的電容量（大約為30fF）。因此，可設(shè)電容器的有效面積為A=6um2,氧化層厚度為tox=7nm,則電容器的電容量為CS=AX（eox/tox）=6um2X［（3.9X8.85X10-i4F/cm）/7nm］仁30fF如果電源電壓VCC=5V,則得到電容器中存儲電荷的數(shù)量為QC=CSXVCC/2=30fF義2.5V=75X10-15C7(47X104)X(1.6X10-19C)即電容器中存儲有大約47萬個電子。由于電容器總有一定的漏電流，則為了讓數(shù)據(jù)電荷保存較長的時間，就要求氧化層質(zhì)較好；并且還要定期地刷新一一恢復(fù)數(shù)據(jù)(再生)。如果要求數(shù)據(jù)電荷保存1秒鐘，那么就必須把漏電的速度控制在AQ/At=QC/1秒=0.075pA心1個電子/2微秒以下。DRAM的讀出：因為當(dāng)讀出存儲單元中的微量電荷時，將使得存儲在存儲單元中的數(shù)據(jù)受到破壞，故DRAM的讀出是一種破壞性的過程；并從而必須要對微小的數(shù)據(jù)電壓進行放大之后才能實現(xiàn)讀出，這就需要一定的時間(讀出時間)，該讀出時間至少也得要30ns。而SRAM的讀出時間很短，因為它在讀出時并不破壞存儲的數(shù)據(jù)。?DRAM的結(jié)構(gòu)設(shè)計：雖然DRAM的單元都是1Tr/1Cap,但是其具體結(jié)構(gòu)卻是多種多樣的。因為DRAM存儲的數(shù)據(jù)都是用電荷的數(shù)量來表示的，所以如何采用最小的硅片面積來獲得最大的電容量，這就是設(shè)計DRAM時所需要考慮的重要問題。在存儲容量小于1Mbit的%時電**DRAM中，通常采用“平面型存儲單元”的結(jié)構(gòu)，它的橫截面如圖4所示。這里采用了圖4平面型DRAM存儲單元三層多晶硅，即晶體管柵極、電容器電極和存儲單元的位線都采用摻雜多晶硅來制作，故稱這種結(jié)構(gòu)為三層多晶硅結(jié)構(gòu)。多晶硅的使用，不僅減小了存儲單元的面積，而且也使得存儲單元結(jié)構(gòu)的改變更加自由。在存儲容量更大的DRAM中，為了在很小面積的存儲單元上確保具有一定的電容量，就采用了立體式的存儲單元結(jié)構(gòu)。一種就是溝槽型結(jié)構(gòu)，即是在硅片表面上首先刻出溝槽，然后再在溝槽的內(nèi)表面上形成絕緣層，以增大電容器極板的面積；另外一種就是堆積型結(jié)構(gòu)，即是首先形成晶體管，然后再在上面覆蓋多晶硅層（作為電容器的電極）以增大電容器極板面積。?數(shù)據(jù)的讀出和寫入：因為DRAM在讀出時往往會使數(shù)據(jù)信號喪失，所以需要讀出再生放大器。由于DRAM的存儲單元所需要的元器件數(shù)目

較少，故適合于大規(guī)模集成，并且每一個bit的成本較低，所以，盡管DRAM在工作時需要不斷刷新，但它仍然是隨機存取存儲器中用得最多的一種形式。③MROM（掩模只讀存儲器，maskROM）：MROM的存儲單元由一個晶體管構(gòu)成，如圖5所示。MROM中晶體管的狀態(tài)“0”和“1”）由漏極和位線之間的內(nèi)部連接（接通或者斷開）來決定。MROM在制作時就已經(jīng)把信息固定在存儲單元中了，所以不能重新改寫其中的數(shù)據(jù)（即不能再編程）。信息的寫入是在工藝中、通過一塊存儲有BLiBL來決定。MROM在制作時就已經(jīng)把信息固定在存儲單元中了，所以不能重新改寫其中的數(shù)據(jù)（即不能再編程）。信息的寫入是在工藝中、通過一塊存儲有BLiBL2x _一 zI圖5MROM陣列數(shù)據(jù)的掩模來實現(xiàn)的；可采用三種工藝方式來寫入：利用擴散或形成電極的工藝來切斷電流通路，或者利用離子注入工藝來改變晶體管的閾值電壓以使得成為常通的耗盡型晶體管。有時把MROM就簡稱為ROM。MROM的數(shù)據(jù)寫入時間（TAT）較長，因為需要通過掩模和某種工藝來實現(xiàn)。一般，采用離子注入工藝的TAT最長，但是這種方式對應(yīng)的

單元面積較??；采用電極工藝的TAT較短，但是存儲單元的面積較大。④FPROM（熔絲可編程只讀存儲器或現(xiàn)場可編程只讀存儲器，F(xiàn)usePROM）：PROM是用戶自己可以進行自由寫入數(shù)據(jù)圖6FAMOS單元的EPROM陣列（編程）的一種只讀存儲器——可編程ROMo其中的FPROM則是用戶可采用熔絲技術(shù)或者反熔絲技術(shù)來實現(xiàn)寫入（編程）的PROM；這種存儲器陣列的結(jié)構(gòu)類似于圖5圖6FAMOS單元的EPROM陣列當(dāng)FPROM一旦寫入了數(shù)據(jù)之后，該存儲器就不能再更改其中的數(shù)據(jù)，因為寫入數(shù)據(jù)時，需要通過較大的電流（利用雙極型技術(shù)）才能把熔絲熔斷或者熔接起來。⑤EPROM（可擦除、可編程只讀存儲器，ErasablePROM）：EPROM是采用帶有控制柵極的浮置柵雪崩注入MOS晶體管（FAMOS）來作為存儲器件的一種PROM。EPROM的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

對于EPROM,把數(shù)據(jù)存儲到FAMOS浮空柵中去的過程也就是利用熱電子的熱發(fā)射注入效應(yīng)，因此在存儲器件的漏極（位線）和控制柵極（字線）之間就需要加上較高的電壓，則與讀出時間（數(shù)十納秒）相比，寫入的時間就比較長（數(shù)十微秒）。同時，由于FAMOS的采用，則其數(shù)據(jù)的擦除（即把存儲在浮空柵中的電子釋放出來）比較困_L圖7EEPROM陣列t選肄)JWLl_L圖7EEPROM陣列t選肄)JWLljIVL1一(.選的n工丁i\vl-1EPROM就需要封裝在留有石英玻璃窗口的管殼中。也因此常把這種EPROM稱為可編程的紫外線擦除ROM。⑥EEPROM（電可擦除、可編程只讀存儲器，ElectricallyErasablePROM）:EEPROM所采用的存儲器件可以是SAMOS，也可以是MNOS（金屬-氮化物-氧化物-半導(dǎo)體晶體管）或者FLOTOX（浮柵隧道氧化物晶體管），但是現(xiàn)在用得最多的則是FLOTOX。向這些晶體管的浮空柵進行注入和取出電荷（寫入/擦除）的程基本上都是隧道效應(yīng)。在圖7中示出了EEPROM陣列的基本結(jié)構(gòu)。每一個存儲單元包含兩個晶體管，其中一個是用于存儲信息的晶體管，另一個是用于選擇地址的晶體管。因此EEPROM不僅可以進行電擦除，而且也可以利用字節(jié)地址來進行選擇性地擦除，因此又稱EEPROM為電可改寫ROM（EAROM）。EEPROM能夠通過柵極電壓的作用、利用隧道效應(yīng)來比較容易地寫入數(shù)據(jù)，則所需要的寫入時間（TAT）要短于EPROM。但是不管是EPROM也好，還是EEPROM也好，因為在寫入數(shù)據(jù)時都利用了熱電子向氧化層的注入效應(yīng)，而氧化層具有很高的電阻，所以寫入的速度總是遠不如由低阻抗的有源器件（晶體管）構(gòu)成的RAM來得快。⑦快速EEPROM：快速EEPROM也稱為快速EPROM，與EEPROM不同的是采用了一個晶體管單元的結(jié)構(gòu)（如圖6），則快速EEPROM的功能不如EEPROM那么完備，即只能進行完全的擦除（同時清除所有比特信息），而不能進行選擇性地擦除。因此可以說，快速EEPROM實際上就是EPROM和EEPROM的折中。作為大容量EEPROM的一種所謂“快閃存儲器"（Flashmemory），由于可以改寫數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)又具有不揮發(fā)性，所以廣泛地用來記憶半固定的數(shù)據(jù)。⑧非易失性RAM：這種存儲器可看作為非易失性SRAM，也可看作為編程時間短、具有持續(xù)性久的EEPROM。如果能夠?qū)崿F(xiàn)的話，這種存儲器應(yīng)該是一種理想的存儲器。（4）提高半導(dǎo)體存儲器制造合格率的措施?備份技術(shù)?備份存儲單元的必要性:半導(dǎo)體存儲器是一種大規(guī)模集成電路，它所包含的存儲單元數(shù)目已經(jīng)多至109以上，而每一個存儲單元的面積卻小于Wm2,因此在制造中要完全保證每一個存儲單元都達到要求，就較為困難。實際上，由于工藝過程中的雜質(zhì)和灰塵等的影響，往往不可能做到每一個存儲單元都是合格品，從而就需要采取一些措施才能提高存儲器產(chǎn)品的合格率。為了提高存儲器的合格率，可以從兩個方面來考慮：一方面是提高工藝技術(shù)水平，另一方面是采取其他的補救措施。在設(shè)計時，有意設(shè)置一定數(shù)量的備份存儲單元，就是一種有效的補救措施；當(dāng)有某個存儲單元不合格時，即可以采用合格的備份單元來置換之，以達到提高整個存儲器芯片的合格率。?部分存儲單元的設(shè)計：備份存儲單元的數(shù)目需要考慮多種因素來進行選取。當(dāng)采用較多的備份存儲單元時，即使有多個存儲單元不合格，也可以通過置換來提高產(chǎn)品合格率，這可以降低制造成本；但是，若備份存儲單元較多時，就會增大存儲器電路芯片的尺寸，則使得一個大圓片上的電路芯片的數(shù)量減少，這又將增加制造成本。因此，備份存儲單元的數(shù)目需要選取得適當(dāng)。備份存儲單元的設(shè)置和置換方法：對于由行、列構(gòu)成的存儲器陣列而言，就需要分別設(shè)置行和列的備份存儲單元；并且在存儲器電路中設(shè)置有可以檢測出不合格單元的地址碼的器件以及一個比較電路。當(dāng)對芯片測量出不合格的存儲單元的行、列的地址碼后，即可通過比較電路來把對不合格單元地址碼的存取轉(zhuǎn)換到備份單元去，從而能夠?qū)崿F(xiàn)所有地址碼的存儲單元都可以正常工作。用來轉(zhuǎn)換地址碼的電路有激光、電流熔斷熔絲和PROM存儲單元等。（5）提高半導(dǎo)體存儲器可靠性的措施：?經(jīng)時退化