第7章半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

第7章半導(dǎo)體存儲(chǔ)器第一頁，共50頁。本章第一次課要求半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類：按制造工藝、按存取方式。存儲(chǔ)器的主要性能指標(biāo)？順序存取存儲(chǔ)器（SAM）的特點(diǎn)？RAM主要由哪3部分構(gòu)成？RAM存儲(chǔ)單元的分類？HM6264符號圖？RAM容量擴(kuò)展：位擴(kuò)展、字?jǐn)U展。第二頁，共50頁。7.1概述7.1.1特點(diǎn)與應(yīng)用用途：存儲(chǔ)數(shù)據(jù)特點(diǎn)：集成度高體積小可靠性高價(jià)格低接口簡單便于大批量生產(chǎn)第三頁，共50頁。7.1.2分類1、工藝雙極型：高速度、高功耗、高價(jià)格：高速緩存MOS型：高集成、低功耗、低價(jià)格：大容量存儲(chǔ)2、存取方式順序存取（SAM）隨機(jī)存?。≧AM）只讀（ROM）第四頁，共50頁。7.1.3主要技術(shù)指標(biāo)1、容量

2、存取時(shí)間 讀周期 寫周期靜態(tài)RAM：FLASH：動(dòng)態(tài)RAM：第五頁，共50頁。7.4順序存取存儲(chǔ)器（SAM）利用MOS管電容暫存信息7.2.1動(dòng)態(tài)MOS反相器VoRC較大再生時(shí)間<1ms第六頁，共50頁。7.2.2動(dòng)態(tài)CMOS移存單元CP=1,IC1,C2不變CP=0,C1不變,C1

C2,C2輸出與主從D觸發(fā)器類似：延時(shí)1個(gè)時(shí)鐘第七頁，共50頁。7.2.3動(dòng)態(tài)移存器和順序存取存儲(chǔ)器（SAM）用途：數(shù)字延遲線（相當(dāng)于若干個(gè)D觸發(fā)器串接）組成順序存取存儲(chǔ)器SAM第八頁，共50頁。FIFO型SAM存儲(chǔ)量：1024×8位先入后出（FILO）：堆棧第九頁，共50頁。7.3隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）7.3.1結(jié)構(gòu)1、存儲(chǔ)矩陣2、地址譯碼器10：210＝1K20：220＝1M26：226＝64M30：230＝1G3、片選與讀寫控制電路、I/O電路第十頁，共50頁。7.3.2RAM存儲(chǔ)單元1、MOS靜態(tài)存儲(chǔ)單元T1～T6：6管存儲(chǔ)單元Xi、Yj＝1：選中該單元采用6管CMOS存儲(chǔ)單元的芯片：6116：2K×8位6164：8K×8位61256：32K×8位靜態(tài)功耗很小，CS無效時(shí)，立刻進(jìn)入保持狀態(tài)2V/5～40uA第十一頁，共50頁。SmallOutlineJLeadedPackageThinSmallOutlinePackage第十二頁，共50頁。第十三頁，共50頁。第十四頁，共50頁。第十五頁，共50頁。2、MOS動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元（1）三管NMOS動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元預(yù)充電：C0、C0’充電讀出：Xi＝R＝1，T3、T5導(dǎo)通若C＝1（有電荷），T2導(dǎo)通，C0放電，T6截止。C0’無法通過T5、T6放電。若Yj＝1，則D＝1。若C＝0，與之向反，D＝0。寫入：Xi＝Y(jié)j＝W＝1刷新：讀出再寫回第十六頁，共50頁。（2）單管NMOS動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元寫入：Xi=1，T導(dǎo)通，DCs讀出：Xi=1，T導(dǎo)通，CsDC0>>Cs，讀出電壓極底。需高靈敏放大器進(jìn)行放大。讀出后需立即寫入。第十七頁，共50頁。7.3.3HM6264靜態(tài)RAM第十八頁，共50頁。第十九頁，共50頁。第二十頁，共50頁。第二十一頁，共50頁。7.3.4RAM容量擴(kuò)展第二十二頁，共50頁。第二十三頁，共50頁。內(nèi)存條的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)線D0-D31、地址線A0-A13、列地址選通RAS0-RAS3、行地址選通CAS0-CAS14個(gè)奇偶校驗(yàn)數(shù)據(jù)位32位的數(shù)據(jù)線由4個(gè)8位數(shù)據(jù)組合而成,每個(gè)8位數(shù)據(jù)有一個(gè)奇偶校驗(yàn);14位地址線為行列地址復(fù)用,因此,總的存儲(chǔ)空間為28位地址線,最大存儲(chǔ)空間128M,對32位數(shù)據(jù)寬度而言為128×4＝512M字節(jié)。72線的SIMM內(nèi)存條的信號主要有:第二十四頁，共50頁。2006年09月14日

DRAM制造上演納米級競賽，奇夢達(dá)欲借58nm突破密度極限

業(yè)內(nèi)存制造商QimondaAG(奇夢達(dá))的工程師日前表示，計(jì)劃在2006年12月舊金山舉行的IEEE國際電子設(shè)備會(huì)議(IEDM)上，就58納米DRAM制造工藝技術(shù)進(jìn)行演講報(bào)告。目前，生產(chǎn)DRAM內(nèi)存具有實(shí)用價(jià)值的最先進(jìn)工藝為70納米至80納米范圍。三星電子宣稱，已經(jīng)開始在2006年8月使用80納米工藝批量生產(chǎn)1GB容量DRAM內(nèi)存。Qimonda的研究人員預(yù)計(jì)12月的演講會(huì)上將展示完整的58納米過程技術(shù)，他們曾經(jīng)用于制造512Mb容量DRAM，工作電壓為1.2V和1.35V之間，存取時(shí)間支持每通道數(shù)據(jù)率3.2Gbps。報(bào)告摘要顯示，這個(gè)DRAM技術(shù)具有一個(gè)擴(kuò)展的U形單元結(jié)構(gòu)，一種金屬絕緣體硅溝狀電容，帶有不導(dǎo)電的高k門電路，k=2.8的絕緣體用于末端互連。Qimonda于2006年8月從母公司英飛凌中分離出來，將內(nèi)存制造業(yè)務(wù)通過IPO而成立。第二十五頁，共50頁。課后作業(yè)（第1次）P3152、3、4、5、第二十六頁，共50頁。本章第2次課要求ROM是什么？ROM的分類？各種ROM的特點(diǎn)及應(yīng)用？如何利用ROM實(shí)現(xiàn)組合邏輯電路？2716的邏輯符號。第二十七頁，共50頁。7.4只讀存儲(chǔ)器(ROM)固定ROM可編程ROM（PROM）可擦除可編程ROM（EPROM）電可擦除可編程ROM（EEPROM）閃存（FLASHMEMORY）存放固定數(shù)據(jù)：程序，表格，函數(shù)，常數(shù)等只讀不寫斷電不丟失分類：第二十八頁，共50頁。圖1ROM的結(jié)構(gòu)第二十九頁，共50頁。7.4.1固定ROM1、二極管固定ROM01230000000111101111Y3Y2Y1Y001EF有為1，無為0為4×4ROM本質(zhì)為組合電路第三十頁，共50頁。2、MOS管固定ROMW＝1，T導(dǎo)通，Y＝0，D＝1W＝1，Y＝1，D＝0有MOS管：無MOS管：第三十一頁，共50頁。7.4.2可編程ROM（PROM）出廠時(shí)均為1（熔絲未斷）寫0：Wi＝1，T導(dǎo)通，Dj加高壓，Dz導(dǎo)通，Aw輸出0，熔絲熔斷，變?yōu)?讀出：數(shù)據(jù)從AR送出，電平較低，不足以使Dz導(dǎo)通，Aw、Dz對輸出無影響第三十二頁，共50頁。7.4.3EPROM/EEPROM1、EPROM出廠：全為1Yj加高壓（如＋25V），DS雪崩，Wj加高壓脈沖，部分電子浮柵，浮柵電壓<0讀出時(shí)，Wj的正電壓被抵消，MOS管無法導(dǎo)通，為0擦除：紫外線照射。寫0：壽命：擦些數(shù)百次，保存10年第三十三頁，共50頁。第三十四頁，共50頁。2、EERPOM出廠：均為1，G1＝3V，T1導(dǎo)通寫入0：Wi＝1，Yj＝0，T2導(dǎo)通，D1＝0，G1加＋21V脈沖，隧道效應(yīng)，電子進(jìn)入浮柵，形成負(fù)壓擦除：Wi＝G＝0，Yj加＋21V脈沖，浮柵電子返回襯底，實(shí)現(xiàn)擦除。隧道效應(yīng)第三十五頁，共50頁。AT2402第三十六頁，共50頁。3、快閃存儲(chǔ)器（FlashMemory）正常：Wi＝1，T導(dǎo)通，均為1寫入0：雪崩效應(yīng)，Yj＝0，Wi加高壓，浮柵充電擦除：隧道效應(yīng)，Wi＝0，S加高壓＋12V，電子放電。整塊擦除高集成度，高容量，價(jià)低，方便。浮柵襯底氧化層：10～15nm第三十七頁，共50頁。NAND：編程/擦除均利用隧道效應(yīng)，可達(dá)百萬次編程/擦除操作可達(dá)到幾個(gè)Gigabit每個(gè)單元存多個(gè)比特（根據(jù)電子數(shù)量的多少

）只允許連續(xù)讀取不能隨機(jī)訪問，所以需要使用大量DRAMNAND在數(shù)據(jù)完整性方面也不如NOR可靠，需要額外的錯(cuò)誤校驗(yàn)256MNAND閃存的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)镸P3和U盤NOR：編程（熱電子注入）擦除（隧道效應(yīng)）編程/擦除：10萬次；最大容量只有128Mbit可內(nèi)部執(zhí)行所謂的NOR、NAND、AND都是以晶體管的連接形態(tài)命名的。第三十八頁，共50頁。

或非：Word1..3均為0時(shí)，Bit1..3才為1；有1個(gè)為0，則為0。與非：Word1..8均為1時(shí)，Bit1..2才為0；有1個(gè)為0，則為1。與：Word1..8均為0時(shí)，Bit1..2才為1；有1個(gè)為1，則為0。第三十九頁，共50頁。三星電子已開發(fā)出2.5英寸的SSD模塊，配有16個(gè)容量為4Gb或者8Gb的NAND閃存芯片，分別提供8GB和16GB存儲(chǔ)容量。該公司指出，將于今年晚些時(shí)候推出容量為4GB或者8GB的1.8英寸SSD產(chǎn)品用于亞筆記本電腦和平板電腦的1.8英寸SSD將于2005年8月上市。（2005年11月24日）層疊多層芯片的SiP技術(shù)8個(gè)2GbitNAND（2GB）型芯片層疊后的高度僅0.56mm第四十頁，共50頁。2006年09月18日

突破浮動(dòng)門限制，首款32GNAND問世08年規(guī)模商用為重奪NAND閃存領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)地位，三星電子日前宣布已開發(fā)出基于40納米設(shè)計(jì)原理及三星專有的ChargeTrapFlash(CTF)結(jié)構(gòu)的業(yè)界首款32GNAND閃存。三星表示，這種32GNAND閃存首次采用了高K電介質(zhì)薄膜，可用于密度達(dá)到64G的存儲(chǔ)卡中。一張64G的存儲(chǔ)卡可儲(chǔ)存多達(dá)64個(gè)小時(shí)的DVD畫質(zhì)的電影(約40部電影)，或者16000個(gè)MP3音樂文件(1340個(gè)小時(shí))。三星指出，這種40納米NAND閃存設(shè)備的開發(fā)采用了CTF技術(shù)，從而不再需要浮動(dòng)?xùn)?。?shù)據(jù)被臨時(shí)存放在閃存非傳導(dǎo)層的一個(gè)由氮化硅組成的“存儲(chǔ)格”里，實(shí)現(xiàn)了更高的穩(wěn)定性和對存儲(chǔ)流更好的控制。與使用傳統(tǒng)浮動(dòng)?xùn)沤Y(jié)構(gòu)的設(shè)備相比，這種閃存中CTF控制柵的高度只有傳統(tǒng)控制柵高度的1/5。另外，相比于使用傳統(tǒng)浮動(dòng)?xùn)沤Y(jié)構(gòu)的設(shè)備，它進(jìn)一步降低了單元間噪音，并將流程步驟減少了20%。它的單柵結(jié)構(gòu)還實(shí)現(xiàn)了高度可擴(kuò)展性，這將最終改進(jìn)制造流程技術(shù)，促進(jìn)基于20納米設(shè)計(jì)原理的256G閃存的問世。CTF設(shè)計(jì)是通過使用一種所謂的Tanos結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，該結(jié)構(gòu)包含了鉭(金屬元素)、氧化鋁(高K材料)、氮化物、氧化物和硅等各個(gè)層。Tanos結(jié)構(gòu)的應(yīng)用標(biāo)志著金屬層和高K材料第一次被應(yīng)用到NAND設(shè)備中。作為40納米32GNAND閃存的基礎(chǔ)，TanosCTF結(jié)構(gòu)最初是在2003年國際電子元件會(huì)議(IEDM)的一篇文章上發(fā)表的。三星表示，在接下來的10年里，這種基于CTF技術(shù)的NAND閃存的全球市場總額估計(jì)將達(dá)到2400億美元，并將徹底取代浮動(dòng)?xùn)沤Y(jié)構(gòu)，將該行業(yè)的發(fā)展成果推廣到2010年以后的terameter技術(shù)時(shí)代。在此舉行的一場大型新聞發(fā)布會(huì)中，當(dāng)談到由英特爾在1971年推出的浮動(dòng)?xùn)偶夹g(shù)時(shí)，三星半導(dǎo)體事業(yè)部總裁兼CEOHwangChang-Gyu表示：“我們已經(jīng)突破了浮動(dòng)?xùn)沤Y(jié)構(gòu)在過去35年里一直無法突破的限制?！比菍?008年開始大規(guī)模生產(chǎn)40納米NAND閃存，這將使32G的MP3播放器和128G的SSD存儲(chǔ)卡成為現(xiàn)實(shí)。三星還希望能夠在2008到2010年間，從40納米NAND閃存業(yè)務(wù)上獲得總計(jì)500億美元的銷售收入。NAND閃存實(shí)際上已經(jīng)成為了所有數(shù)碼相機(jī)、USB設(shè)備、MP3播放器以及大多數(shù)多媒體手機(jī)和智能電話中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，并在今年進(jìn)入了PC領(lǐng)域。今年6月，三星推出了第一批型號分別為SENSQ3-SSD和SENSQ1-SSD的固態(tài)硬盤(SSD)筆記本電腦。用于32GNAND閃存的40納米制程的推出，也意味著三星第七代NAND閃存的問世。在此之前，Hwang在ISSCC2002大會(huì)上首次提出了每年雙密度增長的“新存儲(chǔ)產(chǎn)品增長理論”。三星希望能夠憑借這一產(chǎn)品奪回NAND閃存領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)權(quán)。今年7月，閃存領(lǐng)域的合作者英特爾和美光開始提供基于50納米制程技術(shù)的4GNAND閃存樣品，并在其后由雙方的合資公司IMFlashTechnologies公司進(jìn)行生產(chǎn)。在此之前，這兩家公司在閃存領(lǐng)域的主要對手三星剛剛宣布開始大規(guī)模生產(chǎn)其基于60納米制程的8GNAND閃存，這是三星當(dāng)時(shí)的領(lǐng)先級NAND產(chǎn)品。第四十一頁，共50頁。新型的NVRAMFeRAM

：鐵電體，鐵電電容,讀取次數(shù)有限制：10的12次方

MRAM（MagnetoresistiveRandomAccessMemory，磁性內(nèi)存）：隧道型磁電阻耗電量低，且可高速寫入和讀取。擦寫次數(shù)無限制耗電量低，且可高速寫入和讀取。

誕生之初就開始逼近SRAM的水平，尋址延遲降到了5ns

OUM：寫入時(shí)通過加熱進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄：熱改進(jìn)結(jié)晶狀態(tài)的相變化材料，光盤：反射率變化，OUM：電阻的變化。擦寫次數(shù)為10的12次方，缺點(diǎn)是寫入時(shí)間長第四十二頁，共50頁。FeRAM反復(fù)寫入的耐受性問題：反復(fù)記錄，材料產(chǎn)生疲勞，無法區(qū)別0和1。動(dòng)態(tài)壓?。―ynamicImprint）：反復(fù)寫入相同數(shù)據(jù)時(shí)，產(chǎn)生寫入慣性，無法再寫入其他數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)保持性能問題：“去極”：隨著時(shí)間的推移，失去正、負(fù)極性，無法讀取。“動(dòng)態(tài)壓印”：如長期保持0或1，數(shù)據(jù)就會(huì)燒錄上去，從而無法進(jìn)行擦寫。第四十三頁，共50頁。2006.9