半導(dǎo)體存儲器簡介

? ?作者簡介：?

陳精緯，十多年半導(dǎo)體行業(yè)經(jīng)驗，主要從事NOR Flash/Embedded Flash 等工藝器件產(chǎn)品研發(fā)，新產(chǎn)品導(dǎo)入及量產(chǎn)工作。工作經(jīng)歷主要在中芯國際、NXP、華力微電子等國內(nèi)國際半導(dǎo)體大廠。有十余篇中國，美國，日本及韓國授權(quán)專利。目前主要在從事具有國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)的存儲芯片研發(fā)工作。

正文：

半導(dǎo)體存儲器一般可分為易失性(Volatile Memory)和非易失性存儲器(Non Volatile?Memory)。易失性存儲器是指數(shù)據(jù)信息只有在通電條件下才能保存，斷電后數(shù)據(jù)會丟失，主要有靜態(tài)隨機存儲器(SRAM: Static Random Access Memory) 和動態(tài)隨機存儲器DRAM(Dynamic Random Access Memory)。

一．易失性存儲器（SRAM和DRAM）

SRAM是由六個晶體管組成，分別是四個NMOS和兩個PMOS。兩個NMOS作傳輸門Pass Gate(PG), 兩個NMOS 做下拉門Pull Down(PD), 兩個PMOS做上拉門Pull Up(PU)。?

圖1 SRAM 電路圖

在所有存儲器中，SRAM讀寫速度最快，一般用作CPU和存儲介質(zhì)(如硬盤)之間的緩沖儲存區(qū)(Cache)。?

DRAM 動態(tài)隨機存儲器是另一種常用的易失性存儲器，DRAM主要是1T1C結(jié)構(gòu)，通過晶體管開關(guān)對電容充放電達到讀取數(shù)據(jù)的目的。

由于成本相對低廉，目前DRAM已經(jīng)是電腦、手機等產(chǎn)品上常用的半導(dǎo)體存儲元件。

圖2? DRAM 電路圖

二．非易失性存儲器 (主要是Flash Memory)

在半導(dǎo)體器件中非易失存儲器(Non-volatile memory, 簡稱 NVM)的應(yīng)用十分廣泛。它的特點是在斷電后還能保存存儲的數(shù)據(jù)。最早的非易失存儲器是 EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)。它編程采用熱電子注入，擦除用UV 紫外光。但這種器件需用石英玻璃進行UV 紫外光擦除，成本高昂。?

為了降低制造成本，發(fā)明了利用 FN 隧穿效應(yīng)進行電學(xué)擦除的 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)。當(dāng)電子注入并存儲于浮柵中時代表信息“0”，當(dāng)電子從浮柵中被擦除時代表信息“1”。EEPROM的成本比EPROM低，缺點是編程和擦除需 按字節(jié)(byte)進行，速度很慢。?

為了提高器件讀取速度，在EEPROM的器件結(jié)構(gòu)上改進了電路設(shè)計，使很多個存儲單元 (cell)能同時進行編程和擦除的動作，這就是現(xiàn)在常用的快閃存儲器(Flash EEPROM,簡稱flash 或閃存)。

從電路結(jié)構(gòu)區(qū)分Flash Memory可以分為NOR 和 NAND兩大類。NOR讀取速度快，但是存儲容量有限，一般用來存儲代碼等; NAND 讀寫速度慢，但是容量大，可以存儲大量數(shù)據(jù)，一般固態(tài)硬盤SSD(Solid State Disk)就是采用 NAND型閃存作存儲介質(zhì)。?

圖3? NOR 和NAND 型閃存

圖4 經(jīng)典ETOX 閃存結(jié)構(gòu)示意圖

最典型的閃存結(jié)構(gòu)如圖4 所示，使用ETOX（EEPROM with Tunnel OXide）結(jié)構(gòu),采用熱電子注入（HCI：Hot Carrier Injection 或者 CHE：Channel Hot electron ）編程方式。

電荷存在浮柵(Floating Gate)里，電壓加在控制柵（Control Gate）上， 編程時在漏極(Drain)上加電壓，產(chǎn)生熱電子，在柵極加電壓，通過介電氧化層（ONO）耦合電壓在FG上，產(chǎn)生電勢，幫助電子克服勢壘(Energy Barrier)通過隧穿氧化層(Tunnel Oxide) 注入進FG，完成編程（Program）。

由于熱電子注入（HCI）的物理機理，產(chǎn)生的熱電子是基于幸運電子模型（Lucky Electron ）注入，編程效率較低（一般在50% 左右）。由于效率較低，需要增加電壓來提升編程效率，造成閃存器件功耗大。而且由于熱電子效應(yīng)本身存在本體穿通效應(yīng)（Punch Through），當(dāng)閃存柵長低于110納米時候容易發(fā)生punch through, 限制了器件的進一步微縮。

為了解決這些缺陷，NXP發(fā)明了基于FN（Fowler – Nordheim）隧穿編程方式的2T 結(jié)構(gòu)閃存，Hsu etal 等發(fā)明P型溝道閃存，它基于帶間隧穿（BTBT：Band-to-Band）的編程方式。但這些器件由于主要采用量子隧穿的物理方式，存在編程讀取電流較小的缺點，同時這些編程方式對于隧穿氧化層（Tunnel Oxide）損傷較大，對于閃存器件的可靠性也是很大的挑戰(zhàn)。?

圖5 采用熱載流子(CHE)注入編程示意圖

三． 新型非易失閃存

由于傳統(tǒng)閃存在不斷微縮后遇到物理極限，近年來有不少公司和機構(gòu)開展新型非易失存儲器的研究，主要引入新材料和新介質(zhì)，比如磁存儲器(MRAM), 相變存儲器(PCRAM: Phase Change Random Access Memory), 鐵電存儲器(FeRAM)， 阻變存儲器(RRAM)等，目前已經(jīng)有些存儲器在商業(yè)化應(yīng)用中，對于傳統(tǒng)Flash Memory也是個有益的補充。

總結(jié)

半導(dǎo)體存儲器在日常生活，工業(yè)生產(chǎn)及國防軍工等領(lǐng)域無處不在，是一種必不可少的半導(dǎo)體芯片。但之前這方面領(lǐng)域一直被國外大廠（三星/美光/海力士）所把持，國內(nèi)之前也偏重于SOC邏輯芯片，對存儲這方面重視不夠。

隨著2018年開始的中美科技貿(mào)易戰(zhàn)，國內(nèi)開始重視并加大了***替代，也大力扶持了長江存儲、合肥長鑫等一批國產(chǎn)存儲芯片龍頭企業(yè)，在高端存儲芯片領(lǐng)域拉近了和國外大廠的距離。

隨著現(xiàn)在AI人工智能浪潮的涌現(xiàn)，后續(xù)對于“存算一體”需求加大，存儲芯片領(lǐng)域必將有持續(xù)的發(fā)展，期待國產(chǎn)存儲產(chǎn)業(yè)能早日突破，在各個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)中國芯。

審核編輯：湯梓紅