半导体集成电路8章

1、半导体集成电路南京理工大学电光学院第八章 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)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存储器的分类v从实现

2、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 First Output)、移位存储器、关联存

3、储器存储容量：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（bit）字节：字节：Byte=8bit字长：字的位数称为字长。如字长：字的位数称为字长。如4位、位、8位、位、16位、位、32位等。位等。因此，存储容量常用因此，存储容量常用“N（个字）（个字）M（位）（位）”表示。表示。如：如：1024位的存储器，若字长为位的存储器，若字长为8，则存储，则存储128个字（个字（1288）。）。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

4、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)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1D Memory 结构结构Word 0Word 1Word 2Word n-1Word n-2StorageCellm bitsn wordsS0S1S2S3Sn-2Sn-1Input/Outputn words n 个选择信号个选择信号Word 0Word 1Word 2Word n-1Word n-2StorageCellm bitsS0S1S2S3Sn-2Sn-1Input/Out

5、putA0A1Ak-1Decoder通过译码器通过译码器 ：输入信号数：输入信号数k = log2 n存储器的结构存储器的结构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 ) 字线字线 ( word line )存储单元存储单元(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 Decoder2k-j2jInput/Output (m bits)3D Memory 结构结构Row AddrColumn AddrBlock AddrInput/Output (m bits)只

6、读存储器只读存储器ROM(Read Only Memory)WLBLWLBL1WLBLWLBLWLBL0VDDWLBLGNDDiode ROMMOS ROM 1MOS ROM 21.只读存储器的存储单元只读存储器的存储单元2.MOS OR ROMWL0VDDBL0WL1WL2WL3VbiasBL1Pull-down loadsBL2BL3VDD3.MOS NOR ROMWL0GNDBL0WL1WL2WL3VDDBL1Pull-up devicesBL2BL3GND存储单元的编程方法MOS NOR ROM Layout 1用扩散层编程用扩散层编程PolysiliconMetal1Diffusio

7、nMetal1 on Diffusion面积小面积小扩散层直接作为地线，和逻辑电路不同。MOS NOR ROM Layout 2PolysiliconMetal1DiffusionMetal1 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。WL0WL1WL2WL3VDDPull-up devicesBL3BL2BL1BL0字线工作在负逻辑字线工作在负逻辑MOS NAND ROM Layout1不需要到不需要到VDD和和GND的

8、接触孔的接触孔;跟跟 NOR 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；PolysiliconDiffusionMetal1 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NAND ROM Layout2PolysiliconThreshold-alteringimplantMetal1 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，相当于短路短路普通普通OR、N

9、OR、NAND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。WL0GNDBL0WL1WL2WL3VDDBL1Precharge devicesBL2BL3GNDpre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preWL0PROMUCC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

10、单元Floating gateSourceSubstrateGateDrainn+n+_ptoxtox器件截面图器件截面图电路符号电路符号GSD1. Floating-Gate Transistor (EPROM)非挥发性存储器非挥发性存储器浮栅晶体管的编程过程0 V0 VDS5 V5 VDS .20 V20 VDS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

11、而不导通不导通A “Programmable-Threshold” Transistor“ 0”-state“ 1”-stateDVTVWLVGS“ON”“OFF”ID特点：特点：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.位密度高，价格低。位密度高，价格低。EPROM和擦除设备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 gateSourceSubstratepGateDrainn+n+FLOTOX I-V characteristic2030 nm-10 V10 VIVGD氧化层厚度氧化层厚度10 nmFloating Ga

12、te Tunneling Oxide, FLOTOXEEPROM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”。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B2

13、读出错误！读出错误！EEPROM CellWLBLVDD 2 transistor cell未编程晶体管阈值大于未编程晶体管阈值大于VDD,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WL控制栅控制栅2 2浮栅浮栅1 1VDDe-e-N+N+N+选择晶体管选择晶体管BLGndFN隧道效应隧道效应Psub特点：特点：1.可按位（字节）擦除；可按位（字节）擦除；2.每个单元需要每个单元需要2个晶体管，位密度个晶体管，位密度低，价格比低，价格比EPROM高。高。3.Flash EEPROMControl gateerasurep-substrateFloating gateT

14、hin 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特点：特点：1.须按块擦除；须按块擦除；2. 位密度高，速度快位密度高，速度快Characteristics of State-of-the-art NVMq 静态读写存储器静态读写存储器 (SRAM)q 动态态读写存储器动态态读写存储器 (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)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)慢慢时序电路的时序电路的存储机理？存储机理？

16、0110011静态保持静态保持动态保持动态保持11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. SRAMWLBLVDDM5M6M4M1M2M3BLQQVDDVDDCCCC (1) 6管管CMOS SRAM单元单元CMOS SRAM Analysis (Read)WLBLVDDM5M6M4M1M2M3BLQ=1Q=0VDDVDDCCCC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”或或“0”无变化无变化有变化有变化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单元单元3T-DRAM LayoutBL2BL1GNDRWLWWLM3M2M1WWLBL1M1XM3M2CSBL2RWL Write:通过字线和位线通过字线和位

18、线CS被充电或放电被充电或放电. 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.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管管DRAM单元单元X重分配后位重分配后位线电压线电压CS上的初始上的初始电压电压M1CSWLBLCBLVDD2VTWLXsensingBLGNDWrite 1Read 1V

19、DDVDD/2VDD/21-T DRAM CellCross-sectionMetal word linePolySiO2Field Oxiden+n+Inversion layerinduced byplate biasPolyM1wordlineDiffusedbit linePolysilicongatePolysiliconplateCapacitorLayout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. NAND译码器译码器a. NOR译码器译码器n行译码器n列译码器NAND译码器译码器NOR译码器译码器Precharge devicesVDDf fGNDWL3WL2WL1WL0A0A0GNDA1A1f fWL3A0A0A1A1WL2WL1WL0VDDVDDVDDVDD2-input NOR decoder2-input NAND decoder规模较大时，规模较大时，NOR译码器译码速度快，但占面积译码器译码速度快，但占面积大大,NAND译码器面积小，但因管子串联较多速度慢译码器面积小，但