半導(dǎo)體集成電路8章

1、半導(dǎo)體集成電路南京理工大學(xué)電光學(xué)院第八章 現(xiàn)代半導(dǎo)體存儲(chǔ)器v半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的定義和分類v存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)v各種存儲(chǔ)器掩膜編程只讀存儲(chǔ)器可編程只讀存儲(chǔ)器可擦除可編程ROM(EPROM)電可擦除可編程ROM(E2PROM)閃速存儲(chǔ)器(Flash Memory)靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)v 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器定義：存儲(chǔ)大量二進(jìn)制信息（或稱為二進(jìn)制數(shù)定義：存儲(chǔ)大量二進(jìn)制信息（或稱為二進(jìn)制數(shù)據(jù)）的半導(dǎo)體器件。據(jù)）的半導(dǎo)體器件。用途：在計(jì)算機(jī)或數(shù)字系統(tǒng)中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)用途：在計(jì)算機(jī)或數(shù)字系統(tǒng)中存儲(chǔ)數(shù)據(jù) 。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)通路數(shù)據(jù)通路控制電路控制電路輸輸入入輸輸出出半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類v從實(shí)現(xiàn)

2、工藝上，可分為雙極型（現(xiàn)在幾乎已不用）和MOS型兩大類v從存儲(chǔ)單元的基本性質(zhì)，可分為揮發(fā)性與非揮發(fā)性（也稱易失性與非易失性）揮發(fā)性：斷電后寫入的信息就會(huì)丟失非揮發(fā)性：斷電后寫入的信息不丟失更詳細(xì)的分類v非揮發(fā)性存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器（ROM）：掩膜ROM、PROM可讀可寫存儲(chǔ)器（RWM）：EPROM, E2PROM, Flash Memory v揮發(fā)性存儲(chǔ)器隨機(jī)存取(RAM)：靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)非隨機(jī)存?。合冗M(jìn)先出(First Input First Output, FIFO)、后進(jìn)先出(Last Input First Output)、移位存儲(chǔ)器、關(guān)聯(lián)存

3、儲(chǔ)器存儲(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)。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）字節(jié)：字節(jié)：Byte=8bit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、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）。）。v半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的定義和分類v存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)v各種存儲(chǔ)器掩膜編程只讀存儲(chǔ)器可編程只讀存儲(chǔ)器可擦除可編程ROM(EPROM)電可

4、擦除可編程ROM(E2PROM)閃速存儲(chǔ)器(Flash Memory)靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)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1D 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 bitsS0S1S2S3Sn-2Sn-1Input/Out

5、putA0A1Ak-1Decoder通過(guò)譯碼器通過(guò)譯碼器 ：輸入信號(hào)數(shù)：輸入信號(hào)數(shù)k = log2 n存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)2D 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)3D Memory 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)Row AddrColumn AddrBlock AddrInput/Output (m bits)只

6、讀存儲(chǔ)器只讀存儲(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2.MOS OR ROMWL0VDDBL0WL1WL2WL3VbiasBL1Pull-down loadsBL2BL3VDD3.MOS NOR ROMWL0GNDBL0WL1WL2WL3VDDBL1Pull-up devicesBL2BL3GND存儲(chǔ)單元的編程方法MOS NOR ROM Layout 1用擴(kuò)散層編程用擴(kuò)散層編程PolysiliconMetal1Diffusio

7、nMetal1 on Diffusion面積小面積小擴(kuò)散層直接作為地線，和邏輯電路不同。MOS NOR ROM Layout 2PolysiliconMetal1DiffusionMetal1 on Diffusion用接觸孔編程用接觸孔編程工序?yàn)楹笃冢虼瞬还ば驗(yàn)楹笃?，因此不用在擴(kuò)散層就等用戶用在擴(kuò)散層就等用戶4.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MOS NAND ROM Layout1不需要到不需要到VDD和和GND的

8、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 Diffusion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NAND 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)于短路短路普通普通OR、N

9、OR、NAND結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)v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。WL0GNDBL0WL1WL2WL3VDDBL1Precharge 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preWL0PROMUCC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)

10、單元Floating 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 Transistor (EPROM)非揮發(fā)性存儲(chǔ)器非揮發(fā)性存儲(chǔ)器浮柵晶體管的編程過(guò)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

11、而不導(dǎo)通不導(dǎo)通A “Programmable-Threshold” Transistor“ 0”-state“ 1”-stateDVTVWLVGS“ON”“OFF”ID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。EPROM和擦除設(shè)備2.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+FLOTOX I-V characteristic2030 nm-10 V10 VIVGD氧化層厚度氧化層厚度10 nmFloating Ga

12、te Tunneling Oxide, FLOTOXEEPROM的擦除過(guò)程的擦除過(guò)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電子注入浮動(dòng)?xùn)艠O移去電壓后移去電壓后電荷仍被捕獲電荷仍被捕獲5V5V形成了較高的形成了較高的閾值電壓閾值電壓EEPROM 與EPROM相反，電子注入浮柵的過(guò)程稱“擦除過(guò)程”，從浮柵抽取電子的過(guò)程叫“編程（寫入）過(guò)程”。EEPROM的編程過(guò)程的編程過(guò)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抽除后稱為編程狀態(tài)抽除后稱為編程狀態(tài)過(guò)抽除形成過(guò)抽除形成耗盡型晶體管耗盡型晶體管0V10V問(wèn)題：標(biāo)準(zhǔn)字線無(wú)法關(guān)斷晶體管問(wèn)題：標(biāo)準(zhǔn)字線無(wú)法關(guān)斷晶體管B2

13、讀出錯(cuò)誤！讀出錯(cuò)誤！EEPROM CellWLBLVDD 2 transistor cell未編程晶體管閾值大于未編程晶體管閾值大于VDD,相當(dāng)于開路相當(dāng)于開路被編程晶體管處于常通狀態(tài)被編程晶體管處于常通狀態(tài)WL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。3.Flash EEPROMControl gateerasurep-substrateFloating gateT

14、hin tunneling oxiden+sourcen+drainprogramming編程：熱電子注入編程：熱電子注入擦除：隧穿機(jī)理擦除：隧穿機(jī)理Cross-sections of NVM cellsEPROMFlashBasic Operations in a NOR Flash MemoryWriteSD12 V6 VGBL0BL16 V 0 VWL0WL112 V0 V0 VBasic Operations in a NOR Flash MemoryRead5 V1 VGSDBL0BL11 V 0 VWL0WL15 V0 V0 VBasic Operations in a NOR F

15、lash MemoryEraseSD12 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Characteristics of State-of-the-art NVMq 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)慢慢時(shí)序電路的時(shí)序電路的存儲(chǔ)機(jī)理？存儲(chǔ)機(jī)理？

16、0110011靜態(tài)保持靜態(tài)保持動(dòng)態(tài)保持動(dòng)態(tài)保持11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. SRAMWLBLVDDM5M6M4M1M2M3BLQQVDDVDDCCCC (1) 6管管CMOS SRAM單元單元CMOS 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”或或“0”無(wú)變化無(wú)變化有變化有變化CMOS SRAM Analysis (Write) WLBL=1VDDM5M6M4M1M2M3

17、BL=0Q=0Q=16T-SRAM Layout VDDGNDQQWLBLBLM1M3M4M2M5M6WLBL=1VDDM5M6M4M1M2M3BL=0Q=0Q=1Resistance-load SRAM CellM3RLRLVDDWLQQM1M2M4BLBLSRAM Characteristics2. DRAM WWLBL1M1XM3M2CSBL2RWLVDDVDD-VTDVVDD-VTBL2BL1XRWLWWL(1) 3管管DRAM單元單元3T-DRAM LayoutBL2BL1GNDRWLWWLM3M2M1WWLBL1M1XM3M2CSBL2RWL Write:通過(guò)字線和位線通過(guò)字線和位

18、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壓CS上的初始上的初始電壓電壓M1CSWLBLCBLVDD2VTWLXsensingBLGNDWrite 1Read 1V

19、DDVDD/2VDD/21-T DRAM CellCross-sectionMetal word linePolySiO2Field Oxiden+n+Inversion layerinduced byplate biasPolyM1wordlineDiffusedbit linePolysilicongatePolysiliconplateCapacitorLayout存儲(chǔ)器外圍電路v地址譯碼器vSRAM靈敏放大器v時(shí)序和控制電路地址譯碼器(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NAND譯碼器譯碼器NOR譯碼器譯碼器Precharge devicesVDDf fGNDWL3WL2WL1WL0A0A0GNDA1A1f fWL3A0A0A1A1WL2WL1WL0VDDVDDVDDVDD2-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