文档介绍：非挥发性存储器现状调查

存储器大致可分为两大类:挥发性存储器(volatile memory)和非挥发性存储器(non-volatile memory)。如下图图一所示。挥发性存储器在系统关闭时立即失去存储在内的信息,它需要持续的电源供应以维持数据。一般称之为RAM,有两种主要的类型:动态随机存取内存(DRAM)和静态随机存取内存(SRAM)。
非挥发性存储器在系统关闭或无电源供应时仍能保持数据信息。一个非挥发性存储器(NVM)器件通常也是一个MOS管,拥有一个源极,一个漏极,一个门极另外还有一个浮栅(FLOATING GATE)。它的构造和一般的MOS管略有不同:多了一个浮栅。浮栅被绝缘体隔绝于其他部分。非易失存储器又可分为浮栅型和电荷阱型。
图一半导体存储器分类
第一个浮栅型器件是由Kahng 和 Sze 在1967年发明的。在这个器件中,电子通过3nm厚度的氧化硅层隧道效应从浮栅中被转移到substrate中。隧道效应同时被用于对期间的编程和擦除,通常它适用于氧化层厚度小于12nm。储存在浮栅中的电荷数量可以影响器件的阈值电压(Vth),由此区分期间状态的逻辑值1或0。
在浮栅型存储器中,电荷被储存在浮栅中,它们在无电源供应的情况下仍然可以保持。所有的浮栅型存储器都有着类似的原始单元架构。他们都有层叠的门极结构如图二所示。第一个门极被埋在门极氧化层和极间氧化层之间,极间氧化层的作用是隔绝浮栅区,它的组成可以是氧-氮-氧,或者二氧化硅。包围在器件周围的二氧化硅层可以保护器件免受外力影响。第二个门极被称为控制门极,它和外部的电极相连接。浮栅型器件通常用于EPROM(Electrically Programmable Read Only Memory)和EEPROM(Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory)。
图二浮栅型存储器
电荷阱型器件是在1967年被发明的,这也是第一个被发明的电编程半导体器件。在这类型的存储器中,电荷被储存在分离的氮阱中,由此在无电源供应时保持信息。电荷阱器件的典型应用是在MNOS(Metal Nitride Oxide Silicon),SNOS(Silicon Nitride Oxide Semiconductor)和SONOS(Silicon Oxide Nitride Oxide Semiconductor)
中。图三展示了一个典型的MNOS电荷阱型存储器的结构。MNOS中的电荷通过量子机制穿过一层极薄的氧化层(-3nm)从沟道中被注入氮层中。
图三MNOS电荷阱型存储器
最早期的浮栅型器件中的EPROM,是通过使用高度参杂的多晶硅(poly-Si)作为浮栅材料而制成的,它被称为浮栅雪崩注入型MOS存储器(FAMOS)。它的门极氧化层厚度为100nm, 由此保护电荷流向substrate。对存储器的编程是通过对漏极偏压到雪崩极限使得电子在雪崩中从漏极区域被注入到浮栅中。这种存储器的擦除只能通过紫外线照射或X光照射。如今,这种EPROM的封装形式通常是陶瓷带有一个可透光的小窗口,或者是一个塑料封装的没有石英窗的。这些存储器被称为一次性编程存储器(OTP),这种存储器很便宜,但是在封装后要测试他们是不可能的。带有石英窗口的EPROM价格比较贵,但是由于可被擦除,所以可以在封装后
继续作另外的测试。
随着半导体技术的不断发展,研制电可擦写型非易失存储器的吸引力正在逐渐扩大。第一个电可擦写型非易失存储器也被称为叠门雪崩注入型MOS(SAMOS)存储器。SAMOS存储器由两个多晶硅门和一个外部控制门组成。外部控制门的出现使得电可擦写成为了现实,并且提高了擦除的效率。电可擦写型非易失存储器的电擦除是通过将浮栅中的电荷量恢复到未注入时的水平实现的。比起紫外照射擦除产品,这种产品的封装成本低廉很多。缺点是单位存储单元的尺寸要比以前大很多,使得晶元面积也大了很多。EEPROM单元由两个晶体管组成,一个是浮栅晶体管,另一个是选择晶体管,如图四所示。选择晶体管是用于在编程和擦除时选择相应的浮栅晶体管。后来,由于加入了错位修正电路以及修补电路,晶元尺寸被再次增大。
图四EEPROM结构
再到后来,一个经典的非易失存储器产品被发明了,那就是闪存(Flash Memory)。第一个闪存产品通过热电子注入机制实现对器件编程,而擦除则采用了隧道效应。这种新型的存储器只能被整片或一个区域的删除而不能被单字节删除。因此,
选择晶体管被移除了,由此也减小了单元的尺寸。典型的单元结构如图二所示。
闪存根据技术方式分为Nand 、Nor Flash和AG-AND Flash,而U盘和MP3中最常用的内存就是Nand