√半導(dǎo)體存儲(chǔ)器——分類、結(jié)構(gòu)和性能

1、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器（解說(shuō)）分類、結(jié)構(gòu)和性能作者：Xie M. X.（UESTC,成都市）計(jì)算機(jī)等許多系統(tǒng)中都離不開存儲(chǔ)器。 以讀出其中數(shù)據(jù)的一種器件。存儲(chǔ)器有兩大類：（1）半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類和基本結(jié)構(gòu)：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是一種大規(guī)模集成電路， 它的分類如圖1 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(chǔ)器 存儲(chǔ)器也都是不揮發(fā)性存儲(chǔ)器。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器也可根據(jù)其存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方式不同，區(qū)分為讀存儲(chǔ)器（ROM ）兩大類。RAM可以對(duì)任意一個(gè)存儲(chǔ)單元、存儲(chǔ)器就是能夠存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、并且根據(jù)地址碼還可 磁存儲(chǔ)器和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。所示。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器根據(jù)其在切 和易揮發(fā)性存儲(chǔ)器兩大類。磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 （RAM ）和只 以任

2、意的次序來(lái)存 /取（即讀4ROM ）。出/寫入）數(shù)據(jù)，并且存/取的時(shí)間都相等。 ROM則是在制造時(shí)即已經(jīng)存儲(chǔ)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、又可寫入的半導(dǎo)體存儲(chǔ)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(chǔ)器和雙極型存儲(chǔ)器兩種。采用MOS工藝制造的稱為 MOS存儲(chǔ)器；MOS存儲(chǔ)器具有密度高、功耗低、輸入 阻抗高和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，用得最多。采用雙極型工藝制造的，稱為雙極型存儲(chǔ)器；雙極型 存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)就是工作速度高。圖1半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類memory array）是半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)就是存儲(chǔ)器陣列及其它電路。存儲(chǔ)器陣列（ 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的主體，用

3、以存儲(chǔ)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(gè)存儲(chǔ)單元處在字線（ WL，word line ）與位線（BL, bit line ）的交點(diǎn)上。如果存儲(chǔ) 器有N個(gè)地址碼輸入端，則該存儲(chǔ)器就具有2N比特的存儲(chǔ)容量；若存儲(chǔ)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(chǔ)器讀出其中的數(shù)據(jù)時(shí)，首先需通過(guò)地址碼緩存器把地址碼信號(hào)送入到行譯碼器、 并進(jìn)入到字線，再由行譯碼器選出一個(gè)WL，然后把一個(gè)位線上得到的數(shù)據(jù)（微小信號(hào)）通過(guò)讀出放大器進(jìn)行放大，并由列譯碼器選出其中一個(gè)讀出放大器，把放大了的信號(hào)通過(guò)多路輸出緩沖器而輸出。在寫入數(shù)據(jù)

4、時(shí)，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(chǔ)單元中。當(dāng)然，對(duì)于不必寫入數(shù)據(jù)的ROM （只讀存儲(chǔ)器）而言，就不需要寫入電路。（2）RAM和ROM的比較：RAM （隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）中的每一個(gè)單元都有 x-y地址，這不同于其他串行存儲(chǔ)器 磁存儲(chǔ)器）。RAM大體上可分為 SRAM （靜態(tài)RAM ）和DRAM （動(dòng)態(tài)RAM）兩種， 是能夠長(zhǎng)期保留數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器（只要不斷開電源），而DRAM則是需要不斷“刷新”斷進(jìn)行存儲(chǔ)動(dòng)作）的存儲(chǔ)器。ROM （只讀存儲(chǔ)器）的體系結(jié)構(gòu)與RAM類似，則ROM也具有隨機(jī)存取的能力； 又稱為讀寫存儲(chǔ)器。RAM和ROM的讀出過(guò)程完全相同， 但是其讀出

5、（?。┖蛯懭耄ù妫┑念l率不同： 的讀/寫機(jī)會(huì)幾乎相等；而 ROM的讀出頻率一般要遠(yuǎn)高于其寫入頻率。ROM具有定向?qū)懭肽芰Γ蓮臎](méi)有任何寫入能力的純ROM寫入到EEPROM）；的壽命（寫入/擦除的次數(shù)）在104次以上。此外，ROM比RAM 此，只要是沒(méi)有繁瑣寫入時(shí)都可采用（如SRAM（即不ROMRAMROM 因ROM，例如查表（代碼轉(zhuǎn)換、字符發(fā)生、三角函數(shù)等）；的尺寸小、性價(jià)比高。也可用于存儲(chǔ)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(chǔ)器： SRAM （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)。 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 示互

6、補(bǔ)。SRAM在實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)雙SRAM陣列。BL上面的橫線表為負(fù)載管，因?yàn)樵撠?fù)載管的電流大小不是關(guān)鍵因素，故可 來(lái)代替，也可以采用電阻來(lái)代替。若采用電阻負(fù)載的存儲(chǔ)（或稱為4T存儲(chǔ)單元）；實(shí)際上這里的電阻負(fù)載往往采存儲(chǔ)單元的構(gòu)成：在圖2的每一個(gè)單元中都包含有兩個(gè)反向并聯(lián)的倒相器和兩個(gè)傳輸門晶體管，即為六個(gè)晶體管的單元（6T存儲(chǔ)單元）。這里采用了 CMOS器件，故這種6T存儲(chǔ)單元也稱為 CMOS 型存儲(chǔ)單元。6T存儲(chǔ)單元中的 P-MOSFET 用面積較小的TFT （薄膜晶體管） 單元，則稱為高阻負(fù)載型存儲(chǔ)單元 用耗盡型MOS二極管來(lái)代替。兩種存儲(chǔ)單元的比較：CMOS型存儲(chǔ)單元包括兩個(gè)反相器和兩個(gè)傳

7、輸門，共有兩種型式（ 晶體管，因此結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。但是，CMOS型存儲(chǔ)單元的功耗小（直流電流圍大和工作溫度范圍寬，從而在 SRAM存儲(chǔ)單元的周圍電路中也都采用 待機(jī)時(shí)的耗電<0.1 pA，所以在利用電池工作時(shí)可以保存數(shù)據(jù)達(dá)十年以上。高阻負(fù)載型存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，其負(fù)載電阻可以采用堆積在晶體管上的多晶硅布線層來(lái)構(gòu)成，因此是一種立體結(jié)構(gòu)。通過(guò)加大負(fù)載電阻，可以把存儲(chǔ)單元消耗的電流降低到 1pA數(shù)量級(jí)，并且通過(guò)采用CMOS的周圍電路可以獲得待機(jī)時(shí)的耗電為1卩A數(shù)量級(jí)；因此，利用電池可以把數(shù)據(jù)保存兩年左右。然而由于負(fù)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(shí)的穩(wěn)定性。SRAM的特點(diǎn)和應(yīng)

8、用：與DRAM相比，雖然SRAM存儲(chǔ)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?yàn)樵谧x出時(shí)不會(huì)破壞存儲(chǔ)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(chǔ)器一一超高速緩沖存儲(chǔ)器 （cache memory）或者攜帶式電子設(shè)備的存儲(chǔ)器。 DRAM （動(dòng)態(tài) RAM ）:DRAM的存儲(chǔ)單元由一個(gè)電容器和一個(gè)晶體管（1Tr/1Cap）組成，這里的電容器用以存儲(chǔ)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：DR

9、AM的工作：當(dāng)電容器與晶體管連接的記憶節(jié)點(diǎn)上的電位為電源電壓（ 儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)即對(duì)應(yīng)于“ 1 ”，當(dāng)記憶節(jié)點(diǎn)上的電位為地 電位（0V）時(shí)，存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)即對(duì)應(yīng)于“0”。力口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(diǎn) 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(chǎng)盡量小。存儲(chǔ)電荷數(shù)量的估算（以1Mbit的DRAM為例）：為了防止存儲(chǔ)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(chǔ)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=6卩m2，氧化層厚度為tox=7n

10、m,則電容器的電容量為Cs = A X （£ ox / tox） = 6 卩 m2 X （3.9 X 8.85 X 10 如果電源電壓 Vcc=5V，則得到電容器中存儲(chǔ)電荷的數(shù)量為p型和n型）的6個(gè)<0.1 pA ）、動(dòng)態(tài)范CMOS ;于是，因Vcc ）時(shí)，存ELIt、呵丄BL：I叫廠圖3單管單元的DRAM陣列14F/cm)/7nm30 fFQc = CsX Vcc/2 =30 fF X 2.5V=75 X 10 15C （47X 104）X （1.6 X 10 19C） 即電容器中存儲(chǔ)有大約 47萬(wàn)個(gè)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(zhǎng)的時(shí)間，好；并且還

11、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=0.075pA 1個(gè)電子/2微秒以下。DRAM的讀出：因?yàn)楫?dāng)讀出存儲(chǔ)單元中的微量電荷時(shí)，將使得存儲(chǔ)在存儲(chǔ)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(guò)程；并從而必須要對(duì)微小的數(shù)據(jù)電壓進(jìn)行 放大之后才能實(shí)現(xiàn)讀出，這就需要一定的時(shí)間（讀出時(shí)間），該讀出時(shí)間至少也得要而SRAM的讀出時(shí)間很短，因?yàn)樗谧x出時(shí)并不破壞存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。就要求氧化層質(zhì)較Q/ t= Qc/1 秒30ns。DRAM的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：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?yàn)镈RAM存儲(chǔ) 的數(shù)據(jù)都是用電

12、荷的數(shù)量來(lái)表示的， 所以如何采用最小的硅片面積來(lái)獲得最大的電容量，這就是設(shè)計(jì)DRAM時(shí)所需要考慮的重要問(wèn)題。在存儲(chǔ)容量小于1Mbit的DRAM中，通常采用“平 面型存儲(chǔ)單元”的結(jié)構(gòu)，它的橫截面如圖4所示。這里采用了三層多晶硅，即晶體管柵極、電容器電極和存儲(chǔ) 單元的位線都采用摻雜多晶硅來(lái)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(chǔ)單元 的面積，而且也使得存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的改變更加自由。在存儲(chǔ)容量更大的 DRAM中，為了在很小面積的 存儲(chǔ)單元上確保具有一定的電容量，就采用了立體式的 存儲(chǔ)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

13、，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?yàn)镈RAM在讀出時(shí)往往會(huì)使數(shù)據(jù)信號(hào)喪失，所以需要讀出再生放大器。由于DRAM的存儲(chǔ)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(gè) bit的成本較低，所以，盡管 DRAM在工作時(shí)需要不斷刷新，但它仍然是隨機(jī)存取存儲(chǔ)器中 用得最多的一種形式。 MROM （掩模只讀存儲(chǔ)器， mask ROM）：MROM的存儲(chǔ)單元由一個(gè)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(lái)決定。

14、MROM 在制作時(shí)就已經(jīng)把信息固定在存儲(chǔ)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(guò)一塊存儲(chǔ)有數(shù)據(jù)的掩模來(lái)實(shí)現(xiàn)的；可采用三種工藝方式來(lái)寫入：利用擴(kuò)散或形成電極的工藝來(lái)切斷 電流通路，或者利用離子注入工藝來(lái)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(shí)把MROM就簡(jiǎn)稱為ROM。MROM的數(shù)據(jù)寫入時(shí)間（TAT）較長(zhǎng)，因?yàn)樾枰ㄟ^(guò)掩 模和某種工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般，采用離子注入工藝的TAT最長(zhǎng)，但是這種方式對(duì)應(yīng)的單元面積較??；采用電極工藝的 TAT較短，但是存儲(chǔ)單元的面積較大。 FPROM （熔絲可編程只讀存儲(chǔ)器或現(xiàn)場(chǎng)可編程只讀存儲(chǔ)器，PROM是用戶自己可以

15、進(jìn)行自由寫入數(shù)據(jù)（編程）的一種只讀存儲(chǔ)亦其中的FPROM則是用戶可采用熔絲技術(shù)或者反熔絲技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)寫入 種存儲(chǔ)器陣列的結(jié)構(gòu)類似于圖5,所不同的是陣列之間的內(nèi)部連接（即編程）由用戶自己來(lái)完成。當(dāng)FPROM 一旦寫入了數(shù)據(jù)之后，該存儲(chǔ)器就不 能再更改其中的數(shù)據(jù)，因?yàn)閷懭霐?shù)據(jù)時(shí)，需要通過(guò)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(lái)。 EPROM （可擦除、可編程只讀存儲(chǔ)器，Erasable圖4平面型DRAM存儲(chǔ)單元BLLBL：rY_一BL1WT* 1=圖5 MROM陣列Fuse PROM）:器可編程（編程）的PROM ;這ROM。HL：圖6 FAMOS單元的EPROM陣列 4PROM

16、）:EPROM是采用帶有控制柵極的浮置柵雪崩注入 MOS晶體管（FAMOS ）來(lái)作為存儲(chǔ)器 件的一種PROM。EPROM的結(jié)構(gòu)如圖6所示。對(duì)于EPROM，把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到 FAMOS浮空柵中去的過(guò)程也就是利用熱電子的熱發(fā)射注 入效應(yīng)，因此在存儲(chǔ)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(shí)間（數(shù)十納秒）相比，寫入的時(shí)間就比較長(zhǎng)（數(shù)十微秒）。同時(shí)，由于FAMOS的采用，則其數(shù)據(jù)的擦除（即把存儲(chǔ)在浮空柵中的電子釋放出來(lái)） 比較困難（因?yàn)橹車难趸鑴?shì)壘很高），即需要紫外線（或者 X射線）的照射才能實(shí)現(xiàn)，并且不能進(jìn)行選擇性擦除。因此這種EPROM就需要封裝在留有石英玻璃窗口的

17、管殼中。也因此常把這種EPROM稱為可編程的紫外線擦除 ROM。因此 EEPROM （電可擦除、可編程只讀存儲(chǔ)器，Electrically Erasable PROM）:EEPROM所采用的存儲(chǔ)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(jìn)行注入和取出電荷（寫入 /擦除）的 程基本上都是隧道效應(yīng)。EEPROM不僅可以進(jìn)行電擦EEPROM為電可改寫 ROM在圖7中示出了 EEPROM陣列的基本結(jié)構(gòu)。 每一個(gè)存儲(chǔ)單元包含兩個(gè)晶體管，其中一個(gè)是用 于存儲(chǔ)

18、信息的晶體管，另一個(gè)是用于選擇地址的晶體管。除，而且也可以利用字節(jié)地址來(lái)進(jìn)行選擇性地擦除，因此又稱（EAROM ）。EEPROM能夠通過(guò)柵極電壓的作用、利用隧道效應(yīng)來(lái)比較容易地寫入數(shù)據(jù)，則所需要 的寫入時(shí)間（TAT）要短于EPROM。但是不管是 EPROM也好，還是EEPROM也好，因?yàn)?在寫入數(shù)據(jù)時(shí)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(yuǎn)不如由低阻抗的有源器件（晶體管）構(gòu)成的 RAM來(lái)得快。 快速EEPROM :快速EEPROM也稱為快速EPROM，與EEPROM不同的是采用了一個(gè)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

19、完備，即只能進(jìn)行完全的擦除（同 時(shí)清除所有比特信息），而不能進(jìn)行選擇性地擦除。因此可以說(shuō)，快速EEPROM實(shí)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(chǔ)器”（Flash memory），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(lái)記憶半固定的數(shù)據(jù)。 非易失性RAM :這種存儲(chǔ)器可看作為非易失性SRAM，也可看作為編程時(shí)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(chǔ)器應(yīng)該是一種理想的存儲(chǔ)器。（4）提高半導(dǎo)體存儲(chǔ)器制造合格率的措施備份技術(shù)：備份存儲(chǔ)單元的必要性：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是一種大規(guī)模集成電路，它所包含的存儲(chǔ)單元數(shù)目已經(jīng)多至

20、109以上，而每一個(gè)存儲(chǔ)單元的面積卻小于1呵2,因此在制造中要完全保證每一個(gè)存儲(chǔ)單元都達(dá)到要求，就較為困難。實(shí)際上，由于工藝過(guò)程中的雜質(zhì)和灰塵等的影響，往往不可能做到每一個(gè)存儲(chǔ)單元都是合格品，從而就需要采取一些措施才能提高存儲(chǔ)器產(chǎn)品的合格率。為了提高存儲(chǔ)器的合格率，可以從兩個(gè)方面來(lái)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(bǔ)救措施。 在設(shè)計(jì)時(shí)，有意設(shè)置一定數(shù)量的 備份存儲(chǔ)單元，就是一種有效 的補(bǔ)救措施；當(dāng)有某個(gè)存儲(chǔ)單元不合格時(shí)，即可以采用合格的備份單元來(lái)置換之， 以達(dá)到提 高整個(gè)存儲(chǔ)器芯片的合格率。部分存儲(chǔ)單元的設(shè)計(jì)：備份存儲(chǔ)單元的數(shù)目需要考慮多種因素來(lái)進(jìn)行選取。當(dāng)采用較多的備份存

21、儲(chǔ)單元時(shí)，使有多個(gè)存儲(chǔ)單元不合格，也可以通過(guò)置換來(lái)提高產(chǎn)品合格率，這可以降低制造成本；但是,若備份存儲(chǔ)單元較多時(shí)，就會(huì)增大存儲(chǔ)器電路芯片的尺寸，則使得一個(gè)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(chǔ)單元的數(shù)目需要選取得適當(dāng)。備份存儲(chǔ)單元的設(shè)置和置換方法：對(duì)于由行、列構(gòu)成的存儲(chǔ)器陣列而言，就需要分別設(shè)置行和列的備份存儲(chǔ)單元； 并且在存儲(chǔ)器電路中設(shè)置有可以檢測(cè)出不合格單元的地址碼的器 件以及一個(gè)比較電路。當(dāng)對(duì)芯片測(cè)量出不合格的存儲(chǔ)單元的行、列的地址碼后，即可通過(guò)比較電路來(lái)把對(duì)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(chǔ)單元都可以正常工作。用來(lái)轉(zhuǎn)換地址碼的電路有激光、電流熔斷熔絲和 PROM存儲(chǔ)單元等。（5）提高半導(dǎo)體存儲(chǔ)器可靠性的措施：經(jīng)時(shí)退化問(wèn)題：這是半