半導(dǎo)體集成電路8章

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)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的定義和分類存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)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(FlashMemory)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。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)器數(shù)據(jù)通路控制電路輸入輸出半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類從實(shí)現(xiàn)工藝上，可分為雙極型（現(xiàn)在幾乎已不用）和MOS型兩大類從存儲(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,FlashMemory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(FirstInputFirstOutput,FIFO)、后進(jìn)先出(LastInputFirstOutput)、移位存儲(chǔ)器、關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)容量：存儲(chǔ)單元的總數(shù)。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)制數(shù)位（bit）字節(jié)：Byte=8bit字長：字的位數(shù)稱為字長。如4位、8位、16位、32位等。因此，存儲(chǔ)容量常用“N（個(gè)字）×M（位）”表示。如：1024位的存儲(chǔ)器，若字長為8，則存儲(chǔ)128個(gè)字（128×8）。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的定義和分類存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)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(FlashMemory)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1DMemory結(jié)構(gòu)Word0Word1Word2Wordn-1Wordn-2StorageCellmbitsnwordsS0S1S2S3Sn-2Sn-1Input/Outputnwordsn個(gè)選擇信號(hào)Word0Word1Word2Wordn-1Wordn-2StorageCellmbitsS0S1S2S3Sn-2Sn-1Input/OutputA0A1Ak-1Decoder通過譯碼器：輸入信號(hào)數(shù)k=log2n存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)2DMemory結(jié)構(gòu)A0RowDecoderA1Aj-1靈敏放大器位線(bitline)字線(wordline)存儲(chǔ)單元(storagecell)行地址列地址AjAj+1Ak-1讀/寫電路ColumnDecoder2k-j2jInput/Output(mbits)3DMemory結(jié)構(gòu)RowAddrColumnAddrBlockAddrInput/Output(mbits)只讀存儲(chǔ)器ROM(ReadOnlyMemory)WLBLWLBL1WLBLWLBLWLBL0VDDWLBLGNDDiodeROMMOSROM1MOSROM21.只讀存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元2.MOSORROMWL[0]VDDBL[0]WL[1]WL[2]WL[3]VbiasBL[1]Pull-downloadsBL[2]BL[3]VDD3.MOSNORROMWL[0]GNDBL[0]WL[1]WL[2]WL[3]VDDBL[1]Pull-updevicesBL[2]BL[3]GND存儲(chǔ)單元的編程方法MOSNORROMLayout1用擴(kuò)散層編程PolysiliconMetal1DiffusionMetal1onDiffusion面積小擴(kuò)散層直接作為地線，和邏輯電路不同。MOSNORROMLayout2PolysiliconMetal1DiffusionMetal1onDiffusion用接觸孔編程工序?yàn)楹笃?，因此不用在擴(kuò)散層就等用戶4.MOSNANDROM默認(rèn)情況下字線為高，被選中時(shí)為低。WL[0]WL[1]WL[2]WL[3]VDDPull-updevicesBL[3]BL[2]BL[1]BL[0]字線工作在負(fù)邏輯MOSNANDROMLayout1不需要到VDD和GND的接觸孔;跟NORROM相比，性能有所下降。進(jìn)一步更加減小了版圖面積；PolysiliconDiffusionMetal1onDiffusion用金屬1層編程用金屬將不需要的晶體管源漏短路NANDROMLayout2PolysiliconThreshold-altering

implantMetal1onDiffusion用離子注入層編，需增加一道工序注入n型雜質(zhì)降低閾值使其變成耗盡型，相當(dāng)于短路普通OR、NOR、NAND結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)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。預(yù)充式NORROM5.預(yù)充式NORROMWL[0]GNDBL[0]WL[1]WL[2]WL[3]VDDBL[1]PrechargedevicesBL[2]BL[3]GNDφpre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。缺點(diǎn)：增加了時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生電路φpreWL[0]PROM字線Wi位線Di(a)V1V2位線Di字線Wi(b)①熔絲型PROM存儲(chǔ)單元②PN結(jié)擊穿法PROM存儲(chǔ)單元FloatinggateSourceSubstrateGateDrainn+n+_ptoxtox器件截面圖電路符號(hào)GSD1.Floating-GateTransistor(EPROM)非揮發(fā)性存儲(chǔ)器浮柵晶體管的編程過程0V0VDS5V5VDS

.20V20VDS加上高的編程電壓后，發(fā)生雪崩倍增產(chǎn)生的高能熱電子注入浮柵一般用紫外擦除電壓移去后，電荷依然存在加上普通工作電壓后，由于晶體管閾值電壓被抬高從而不導(dǎo)通A“Programmable-Threshold”Transistor特點(diǎn)：1.只能“系統(tǒng)外”擦除，擦除時(shí)間長；2.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)FloatinggateSourceSubstratepGateDrainn+n+FLOTOX

I-Vcharacteristic20–30nm-10V10VIVGD氧化層厚度10nmFloatingGateTunnelingOxide,FLOTOXEEPROM的擦除過程10V0V隧道擊穿機(jī)理電子注入浮動(dòng)?xùn)艠O移去電壓后電荷仍被捕獲5V5V形成了較高的閾值電壓EEPROM與EPROM相反，電子注入浮柵的過程稱“擦除過程”，從浮柵抽取電子的過程叫“編程（寫入）過程”。EEPROM的編程過程0V10V隧道擊穿機(jī)理電子注出浮動(dòng)?xùn)艠O抽除后稱為編程狀態(tài)過抽除形成耗盡型晶體管0V10V問題：標(biāo)準(zhǔn)字線無法關(guān)斷晶體管B2讀出錯(cuò)誤??！EEPROMCellWLBLVDD2transistorcell未編程晶體管閾值大于VDD,相當(dāng)于開路被編程晶體管處于常通狀態(tài)WL控制柵2浮柵1VDDe-e-N+N+N+選擇晶體管BLGndFN隧道效應(yīng)P－sub特點(diǎn)：1.可按位（字節(jié)）擦除；2.每個(gè)單元需要2個(gè)晶體管，位密度低，價(jià)格比EPROM高。3.FlashEEPROMControlgateerasurep-substrateFloatinggateThintunnelingoxiden+sourcen+drainprogramming編程：熱電子注入擦除：隧穿機(jī)理Cross-sectionsofNVMcellsEPROMFlashBasicOperationsinaNORFlashMemory―WriteBasicOperationsinaNORFlashMemory―ReadBasicOperationsinaNORFlashMemory―Erase特點(diǎn)：1.須按塊擦除；2.位密度高，速度快CharacteristicsofState-of-the-artNVM隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)靜態(tài)讀寫存儲(chǔ)器(SRAM)動(dòng)態(tài)態(tài)讀寫存儲(chǔ)器

(DRAM)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)保存時(shí)間長面積大(6transistors/cell)快需要周期性刷新面積小(1-3transistors/cell)慢時(shí)序電路的存儲(chǔ)機(jī)理？011001×1×靜態(tài)保持動(dòng)態(tài)保持11×基本SRAM單元和電壓傳輸特性字線位線位線qq211.SRAMWLBLVDDM5M6M4M1M2M3BLQQVDDVDDCCCC(1)6管CMOSSRAM單元CMOSSRAMAnalysis(Read)WLBLVDDM5M6M4M1M2M3BLQ=1Q=0VDDVDDCCCC讀信號(hào)時(shí)根據(jù)位線上電平是否有變化判斷為“1”或“0”無變化有變化CMOSSRAMAnalysis(Write)WLBL=1VDDM5M6M4M1M2M3BL=0Q=0Q=16T-SRAM—LayoutVDDGNDQQWLBLBLM1M3M4M2M5M6WLBL=1VDDM5M6M4M1M2M3BL=0Q=0Q=1Resistance-loadSRAMCellM3RLRLVDDWLQQM1M2M4BLBLSRAMCharacteristics2.DRAMWWLBL1M1XM3M2CSBL2RWLVDDVDD-VTDVVDD-VTBL2BL1XRWLWWL(1)3管DRAM單元3T-DRAM—LayoutBL2BL1GNDRWLWWLM3M2M1WWLBL1M1XM3M2CSBL2RWL

Write:通過字線和位線CS被充電或放電.Read:電荷在存儲(chǔ)電容和位線電容之間進(jìn)行再分配電壓變化量較小;典型值大約250mV.DVBLVPRE–(VBITVPRE)–CSCSCBL+------------==V破壞性讀，需動(dòng)態(tài)恢復(fù)刷新(2)1管DRAM單元X重分配后位線電壓CS上的初始電壓1-TDRAMCellCross-sectionMetalwordlinePolySiO2FieldOxiden+n+InversionlayerinducedbyplatebiasPolyM1wordlineDiffusedbitlinePolysilicongatePolysiliconplateCapacitorLayout存儲(chǔ)器外圍電路地址譯碼器SRAM靈敏放大器時(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a.NOR譯碼器行譯碼器列譯碼器NAND譯碼器NOR譯碼器PrechargedevicesVDDfGNDWL3WL2WL1WL0A0A0GNDA1A1fWL3A0A0A1A1WL2WL1WL0VDDVDDVDDVDD2-inputNORdecoder2-inputNANDdecoder規(guī)模較大時(shí)，NOR譯碼器譯