半导体集成电路章课件

1、半导体集成电路半导体集成电路章第八章 现代半导体存储器v半导体存储器的定义和分类v存储器的结构v各种存储器掩膜编程只读存储器可编程只读存储器可擦除可编程rom(eprom)电可擦除可编程rom(e2prom)闪速存储器(flash memory)静态随机存取存储器(sram)动态随机存取存储器(dram)半导体集成电路章v 存储器存储器定义：存储大量二进制信息（或称为二进制数定义：存储大量二进制信息（或称为二进制数据）的半导体器件。据）的半导体器件。用途：在计算机或数字系统中存储数据用途：在计算机或数字系统中存储数据 。存储器存储器数据通路数据通路控制电路控制电路输输入入输输出出半导体集成电路

2、章半导体存储器的分类v从实现工艺上，可分为双极型（现在几乎已不用）和mos型两大类v从存储单元的基本性质，可分为挥发性与非挥发性（也称易失性与非易失性）挥发性：断电后写入的信息就会丢失非挥发性：断电后写入的信息不丢失半导体集成电路章更详细的分类v非挥发性存储器只读存储器（rom）：掩膜rom、prom可读可写存储器（rwm）：eprom, e2prom, flash memory v挥发性存储器随机存取(ram)：静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)非随机存取：先进先出(first input first output, fifo)、后进先出(last input f

3、irst output)、移位存储器、关联存储器半导体集成电路章半导体集成电路章存储容量：存储单元的总数。存储容量：存储单元的总数。存储器的容量存储器的容量一个存储单元可存储一个二进制一个存储单元可存储一个二进制数位（数位（bitbit）字节：字节：byte=8bitbyte=8bit字长：字的位数称为字长。如字长：字的位数称为字长。如4 4位、位、8 8位、位、1616位、位、3232位等。位等。因此，存储容量常用因此，存储容量常用“n n（个字）（个字）m m（位）（位）”表示。表示。如：如：10241024位的存储器，若字长为位的存储器，若字长为8 8，则存储，则存储128128个字（个

4、字（1281288 8）。）。半导体集成电路章v半导体存储器的定义和分类v存储器的结构v各种存储器掩膜编程只读存储器可编程只读存储器可擦除可编程rom(eprom)电可擦除可编程rom(e2prom)闪速存储器(flash memory)静态随机存取存储器(sram)动态随机存取存储器(dram)半导体集成电路章存储器的构成： 1.存储阵列 2.地址译码器（行和列地址译码器） 3.读写电路半导体集成电路章1d memory 1d memory 结构结构word 0word 1word 2word n-1word n-2storagecellm bitsn wordss0s1s2s3sn-2sn

5、-1input/outputn words n words n n 个选择信号个选择信号word 0word 1word 2word n-1word n-2storagecellm bitss0s1s2s3sn-2sn-1input/outputa0a1ak-1decoder通过译码器通过译码器 ：输入信号数：输入信号数k = logk = log2 2 n n存储器的结构存储器的结构半导体集成电路章2d memory结构结构a0row decodera1aj-1灵敏放大器灵敏放大器位线位线 ( bit line ( bit line ) ) 字线字线 ( word line ( word l

6、ine ) )存储单元存储单元(storage cell)(storage cell)行地址行地址列地址列地址ajaj+1ak-1读读/ /写电路写电路column decodercolumn decoder2 2k-jk-j2 2j jinput/output (m bits)input/output (m bits)半导体集成电路章3d memory 结构结构row addrcolumn addrblock addrinput/output (m input/output (m bits)bits)半导体集成电路章只读存储器只读存储器rom(read only memory)rom(rea

7、d only memory)wlblwlbl1 1wlblwlblwlbl0 0vddwlblgnddiode romdiode rommos rom 1mos rom 1mos rom 2mos rom 21.1.只读存储器的存储单元只读存储器的存储单元半导体集成电路章2.mos or romwlwl00v vddddblbl00wlwl11wlwl22wlwl33v vbiasbiasblbl11pull-down loadspull-down loadsblbl22blbl33v vdddd半导体集成电路章3.mos nor romwlwl00gndgndblbl00wlwl11wlwl

8、22wlwl33v vddddblbl11pull-up devicespull-up devicesblbl22blbl33gndgnd半导体集成电路章存储单元的编程方法半导体集成电路章mos nor rom layout 1用扩散层编程用扩散层编程polysiliconpolysiliconmetal1metal1diffusiondiffusionmetal1 on diffusionmetal1 on diffusion面积小面积小扩散层直接作为地线，和逻辑电路不同。半导体集成电路章mos nor rom layout 2polysiliconpolysiliconmetal1meta

9、l1diffusiondiffusionmetal1 on diffusionmetal1 on diffusion用接触孔编程用接触孔编程工序为后期，因此不工序为后期，因此不用在扩散层就等用户用在扩散层就等用户半导体集成电路章4.mos nand rom默认情况下字线为高，被选中时为低。默认情况下字线为高，被选中时为低。wlwl00wlwl11wlwl22wlwl33v vddddpull-up devicespull-up devicesblbl33blbl22blbl11blbl00字线工作在负逻辑字线工作在负逻辑半导体集成电路章半导体集成电路章mos nand rom layout1不

10、需要到不需要到vddvdd和和gndgnd的接触孔的接触孔; ;跟跟 nor romnor rom相比，性能有所下降。相比，性能有所下降。进一步更加减小了版图面积；进一步更加减小了版图面积；polysiliconpolysilicondiffusiondiffusionmetal1 on diffusionmetal1 on diffusion用金属用金属1层编程层编程用金属将不需要的晶体管源漏短路用金属将不需要的晶体管源漏短路半导体集成电路章nand rom layout2polysiliconpolysiliconthreshold-alteringthreshold-alteringim

11、plantimplantmetal1 on diffusionmetal1 on diffusion用离子注入层编，用离子注入层编，需增加一道工序需增加一道工序注入注入n n型杂质降型杂质降低阈值使其变成低阈值使其变成耗尽型，相当于耗尽型，相当于短路短路半导体集成电路章普通普通oror、nornor、nandnand结构缺点结构缺点v静态功耗大，当输出为低（nor、nand）或高（or）时，存在一个从vdd到gnd的静态电流通路。半导体集成电路章wlwl00gndgndblbl00wlwl11wlwl22wlwl33v vddddblbl11precharge devicesprecharge

12、 devicesblbl22blbl33gndgndprepre预冲管充电时，所有下拉管（字线控制的管子）关断。预冲管充电时，所有下拉管（字线控制的管子）关断。优点：消除了静态功耗。优点：消除了静态功耗。缺点：增加了时钟信号发生电路缺点：增加了时钟信号发生电路preprewlwl00半导体集成电路章promucc字线wi位线di熔丝(a)(b)字线熔丝位线字线wi位线di(a)v1v2位线di字线wi(b)熔丝型prom存储单元pn结击穿法prom存储单元半导体集成电路章floating gatefloating gatesourcesourcesubstratesubstrategatega

13、tedraindrainn n+ +n n+_+_p pt toxoxt toxox器件截面图器件截面图电路符号电路符号g gs sd d1. floating-gate transistor (eprom)非挥发性存储器非挥发性存储器半导体集成电路章浮栅晶体管的编程过程0 v0 v0 vd ds s5 v5 v5 vd ds s . .20 v20 v20 vd ds s加上高的编程电压加上高的编程电压后，发生雪崩倍增后，发生雪崩倍增产生的高能热电子产生的高能热电子注入浮栅注入浮栅一般用紫外擦除一般用紫外擦除电压移去后，电压移去后，电荷依然存在电荷依然存在加上普通工作加上普通工作电压后，由于

14、电压后，由于晶体管阈值电晶体管阈值电压被抬高从而压被抬高从而不导通不导通半导体集成电路章a “programmable-threshold” transistor“ 0”-state“ 1”-statedvtvwlvgs“on”“off”id半导体集成电路章特点：特点：1.1.只能只能“系统外系统外”擦除，擦除时间长；擦除，擦除时间长；2.2.位密度高，价格低。位密度高，价格低。半导体集成电路章eprom和擦除设备半导体集成电路章2.eeprom (2.eeprom (电可擦除可编程只读存储器电可擦除可编程只读存储器) )floating gatefloating gatesourcesour

15、cesubstratesubstratep pgategatedraindrainn n+n n+flotox flotox i i- -v v characteristic characteristic2020 30 nm30 nm-10 v-10 v10 v10 vi iv vgdgd氧化层厚度氧化层厚度10 nm10 nmfloating gate tunneling oxide, flotox半导体集成电路章eeprom的擦除过程的擦除过程10v0v隧道击穿机理隧道击穿机理电子注入浮动栅极电子注入浮动栅极移去电压后移去电压后电荷仍被捕获电荷仍被捕获5v5v形成了较高的形成了较高的阈值电

16、压阈值电压eeprom 与eprom相反，电子注入浮栅的过程称“擦除过程”，从浮栅抽取电子的过程叫“编程（写入）过程”。半导体集成电路章eeprom的编程过程的编程过程0v10v隧道击穿机理隧道击穿机理电子注出浮动栅极电子注出浮动栅极抽除后称为编程状态抽除后称为编程状态过抽除形成过抽除形成耗尽型晶体管耗尽型晶体管0v10v问题：标准字线无法关断晶体管问题：标准字线无法关断晶体管半导体集成电路章b2b2读出错误！读出错误！半导体集成电路章eeprom cellwlblvdd 2 transistor cell2 transistor cell未编程晶体管阈值大于未编程晶体管阈值大于vdd,vdd

17、,相当于开路相当于开路被编程晶体管处于常通状态被编程晶体管处于常通状态半导体集成电路章wlwl控制栅控制栅2 2浮栅浮栅1 1v vdddde e- -e e- -n n+ +n n+ +n n+ +选择晶体管选择晶体管blblgndgndfnfn隧道效应隧道效应p psubsub特点：特点：1.1.可按位（字节）擦除；可按位（字节）擦除；2.2.每个单元需要每个单元需要2 2个晶体管，位密度个晶体管，位密度低，价格比低，价格比epromeprom高。高。半导体集成电路章3.flash eepromcontrol gateerasurep-substratefloating gatethin

18、tunneling oxiden+sourcen+drainprogramming编程：热电子注入编程：热电子注入擦除：隧穿机理擦除：隧穿机理半导体集成电路章cross-sections of nvm cellsepromflash半导体集成电路章basic operations in a nor flash memorywritesd12 v6 vgbl0bl16 v 0 vwl0wl112 v0 v0 v半导体集成电路章basic operations in a nor flash memoryread5 v1 vgsdbl0bl11 v 0 vwl0wl15 v0 v0 v半导体集成电路

19、章basic operations in a nor flash memoryerasesd12 vgcellarraybl0bl1openopenwl0wl10 v0 v12 v特点：特点：1.1.须按块擦除；须按块擦除；2. 2. 位密度高，速度快位密度高，速度快半导体集成电路章characteristics of state-of-the-art nvm半导体集成电路章q 静态读写存储器静态读写存储器 (sram)(sram)q 动态态读写存储器动态态读写存储器 (dram)(dram)存储数据保存时间长存储数据保存时间长面积大面积大 (6 transistors/cell)(6 tra

20、nsistors/cell)快快需要周期性刷新需要周期性刷新面积小面积小 (1-3 transistors/cell)(1-3 transistors/cell)慢慢半导体集成电路章时序电路的时序电路的存储机理？存储机理？0110011静态保持静态保持动态保持动态保持11半导体集成电路章基本基本sramsram单元和电压传输特性单元和电压传输特性字线字线位位线线位线位线qq211. sram半导体集成电路章wlblvddm5m6m4m1m2m3blqqv vddddv vddddcccc (1) 6 (1) 6管管cmos sramcmos sram单元单元半导体集成电路章cmos sram

21、analysis (read)wlblvddm5m6m4m1m2m3blq=1q=0v vddddv vddddcccc读信号时根据读信号时根据位线上电平是位线上电平是否有变化判断否有变化判断为为“1”1”或或“0”0”无变化无变化有变化有变化半导体集成电路章cmos sram analysis (write) wlbl=1vddm5m6m4m1m2m3bl=0q=0q=1半导体集成电路章6t-sram layout vddgndqqwlblblm1m3m4m2m5m6wlbl=1vddm5m6m4m1m2m3bl=0q=0q=1半导体集成电路章resistance-load sram cel

22、lm3rlrlvddwlqqm1m2m4blbl半导体集成电路章sram characteristics半导体集成电路章2. dram wwlwwlblbl1 1m m1 1x xm m3 3m m2 2c cs sblbl2 2rwlrwlvddvdd-vtdvvdd-vtbl2bl1xrwlwwl(1) 3(1) 3管管dramdram单元单元半导体集成电路章3t-dram layoutbl2bl1gndrwlwwlm3m2m1wwlwwlblbl1 1m m1 1x xm m3 3m m2 2c cs sblbl2 2rwlrwl半导体集成电路章 write: write:通过字线和位线

23、通过字线和位线c cs s被充电或放电被充电或放电. . read: read: 电荷在存储电容和位线电容之间进行再分配电荷在存储电容和位线电容之间进行再分配电压变化量较小电压变化量较小; ; 典型值大约典型值大约 250 mv.250 mv.d vblvpre(vbitvpre )cscscbl+-=vm1cswlblcblvdd2vtwlxsensingblgndwrite 1read 1vddvdd/2vdd/2破坏性读，需动态破坏性读，需动态恢复刷新恢复刷新(2) 1(2) 1管管dramdram单元单元x重分配后位重分配后位线电压线电压c cs s上的初始上的初始电压电压半导体集成电

24、路章m1cswlblcblvdd2vtwlxsensingblgndwrite 1read 1vddvdd/2vdd/21-t dram cellcross-sectioncross-sectionmetal word linepolysio2field oxiden+n+inversion layerinduced byplate biaspolym m1 1wordwordlinelinediffuseddiffusedbit linebit linepolysiliconpolysilicongategatepolysiliconpolysiliconplateplatecapacito

25、rcapacitorlayoutlayout半导体集成电路章存储器外围电路v地址译码器vsram灵敏放大器v时序和控制电路半导体集成电路章地址译码器(1).行译码器 行译码器的任务是从存储阵列诸多行中选中所需的行b. nandb. nand译码器译码器a. nora. nor译码器译码器n行译码器n列译码器半导体集成电路章nandnand译码器译码器nornor译码器译码器半导体集成电路章precharge devicesprecharge devicesv vddddf fgndgndwlwl3 3wlwl2 2wlwl1 1wlwl0 0a a0 0a a0 0gndgnda a1 1a a1 1f fwlwl3 3a a0 0a a0 0a a1 1a a1 1wlwl2 2wlwl1 1wlwl0 0v vddddv vddddv vddddv vdddd2-input nor decoder2-input nor decoder2-input nand decoder2-input nand decoder规模较