快闪存储器技术-详解.docx

    快闪存储器技术    快闪存储器技术分类： 电子工程 属性： 产品 目录 · ·　　一 存储单元工作原理· ·　　二 连接和编址方式· ·　　三 NAND Flash和NOR Flash的比较Flash memory是从EPROM和EEPROM发展而来的非挥发性存储集成电路，其主要特点是工作速度快、单元面积小、集成度高、可靠性好、可重复擦写10万次以上，数据可靠保持超过10年　　Flash Memory从结构上大体上可以分为AND、NAND、NOR和DINOR等几种，现在市场上两种主要的Flash Memory技术是NOR和NAND结构　　Intel于1988年首先开发出NOR flash技术，彻底改变了原先由EPROM和EEPROM一统天下的局面紧接着，1989年，东芝公司发表了NAND flash结构，强调降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级　　Nor Flash器件以及NAND Flash器件都是采用浮栅器件，在写入之前必须先行擦除浮栅器件也是利用电场的效应来控制源极与漏极之间的通断，栅极的电流消耗极小，不同的是场效应管为单栅极结构，而FLASH为双栅极结构，在栅极与硅衬底之间增加了一个浮置栅极。

　　浮置栅极是由氮化物夹在两层二氧化硅材料之间构成的，中间的氮化物就是可以存储电荷的电荷势阱上下两层氧化物的厚度大于50埃，以避免发生击穿　　一 存储单元工作原理　　1. NOR存储单元　　快闪存储器的擦写技术来源于沟道热电子发射（Channel Hot-Electron Injection）与隧道效应（Fowlerordheim）　　NOR结构的Flash memory主要用于存储指令代码及小容量数据的产品中，目前的单片最高容量为512M，NOR Flash memory产品的主要领导者为Intel公司、AMD公司、Fujitsu公司、ST Microelectronics和公司　　NOR结构的Flash memory采用NOR SGC（Stacked Gate Cell）存储单元，是从EPROM结构直接发展而来，非常成熟的结构，采用了简单的堆叠栅构造图1是其结构原理图沟道热电子发射（CHEI）器件的浮栅的充电（写）是通过传统的沟道热电子发射（CHEI）在漏端附近完成的；浮栅的放电（擦除）在源端通过隧道氧化层的隧道效应来实现　　 　　这种结构单元面积小，同EPROM的面积相当，编程（写）时间短，在10μs左右，源漏结可以分开优化，漏结优化沟道热电子发射，源结优化隧道效应，采用了自对准工艺。

　　随着制造技术的进步，存储单元的特征尺寸越来越小，工作电压降低，带来的负面影响是热电子发射效率降低，编程时较难工作于4V漏源电压下为提高热电子发射效率，需要对源结、漏结、沟道掺杂分布进行优化1，整体工艺较复杂，编程电流也较大，大约400μA／bit（0．5μm）技术工艺流程以0．25μm-0．35μm产品为例，采用DPDM制造的快闪存储器需要23块Mask版，进行27次光刻　　2. 隧道效应（Fowlerordheim）存储单元　　隧道效应存储单元是目前快速发展的快闪存储器生产技术，在快闪存储器中一般组成NAND存储阵列，单元面积小，其工艺较简单，容量大，成本低，适用于低价格、高容量、速度要求不高的Flash memory客户用于数据存储；在MP3、PAD、数码相机、2．5G及3G无线系统中得到了广泛的应用　　图2是隧道效应存储单元结构原理图，其编程、擦除通过隧道氧化层的隧道效应来实现，类似EEPROM，其优点是在编程时可以工作在2．5V的源漏电压下，功耗低，非常适合非接触式IC卡，同时NAND阵列的单元面积是NOR SGC单元面积的二分之一，适合于大容量集成　　　　隧道效应存储单元擦写工作电压高，一般要求达到16V-20V，对器件、电路的设计要求高，编程（写）时间较长，在50μs-100μs，不适合字节编程，适用于大容量页编程，像EEPROM一样，编程时，加在隧道氧化层上电场强度高，存在SILC（stress induced leakage currents）效应，对工艺要求高。

　　3. 数据读取原理　　对于NOR以及NAND FLASH Memory，向浮栅中注入电荷表示写入了‘0’，没有注入电荷表示‘1’，所以对FLASH清除数据是写1的，这与硬盘正好相反；　　对于浮栅中有电荷的单元来说，由于浮栅的感应作用，在源极和漏极之间将形成带正电的空间电荷区，这时无论控制极上有没有施加偏置电压，晶体管都将处于导通状态而对于浮栅中没有电荷的晶体管来说只有当控制极上施加有适当的偏置电压，在硅基层上感应出电荷，源极和漏极才能导通，也就是说在没有给控制极施加偏置电压时，晶体管是截止的　　如果晶体管的源极接地而漏极接位线，在无偏置电压的情况下，检测晶体管的导通状态就可以获得存储单元中的数据，如果位线上的电平为低，说明晶体管处于导通状态，读取的数据为0，如果位线上为高电平，则说明晶体管处于截止状态，读取的数据为1由于控制栅极在读取数据的过程中施加的电压较小或根本不施加电压，不足以改变浮置栅极中原有的电荷量，所以读取操作不会改变FLASH中原有的数据　　二 连接和编址方式　　两种FLASH具有相同的存储单元，工作原理也一样，为了缩短存取时间并不是对每个单元进行单独的存取操作，而是对一定数量的存取单元进行集体操作，NAND型FLASH各存储单元之间是串联的，而NOR型FLASH各单元之间是并联的，为了对全部的存储单元有效管理，必须对存储单元进行统一编址。

　　1. NOR Flash连接　　NOR Flash的每个存储单元以并联的方式连接到位线，方便对每一位进行随机存取；具有独立的数据线和地址线，可以实现随机存取；缩短了FLASH对处理器指令的执行时间　　NOR Flash可以单字节或单字编程，但不能单字节擦除，必须以块为单位或对整片执行擦除操作，在对存储器进行重新编程之前需要对块或整片进行预编程和擦除操作，但是擦除和编程速度较慢　　2. NAND Flash的结构　　NAND Flash 的数据是以bit的方式保存在memory cell，一般来说，一个cell 中只能存储一个bit这些cell 以8个或者16个为单位，连成bit line，形成所谓的byte（x8）/word（x16），这就是NAND Device的位宽这些Line会再组成Page，若干个Page构成一个Block，一个NAND Flash存储器包含若干个Block　　三星的K9F1208U0M每页528Bytes（512byte（Main Area）+16byte（Spare Area），参见说明1），每32个page形成一个Block（32*528B），具有4096个block，故总容量为4096*（32*528B）=66MB，但是其中的2MB是用来保存ECC校验码等额外数据的，故实际中可使用的为64MB。

　　说明1：NAND闪存的每一页都有8B（页长度 256B）或者16B（页长度为512B）的OOB（Out Of Band）数据区，用来存放ECC（Error Checking &Correction）、ECC有效标志、坏块标志等　　NAND flash以页为单位读写数据，而以块为单位擦除数据按照这样的组织方式可以形成所谓的三类地址：　　Column Address：Starting Address of the Register. 翻成中文为列地址，地址的低8位　　Page Address ：页地址　　Block Address ：块地址　　对于NAND Flash来讲，地址和命令只能在I/O［7:0］上传递，数据宽度是8位　　3. NAND Flash寻址举例　　512byte需要9bit来表示，对于528byte系列的NAND，这512byte被分成1st half Page Register和2nd half Page Register，各自的访问由地址指针命令来选择，A［7:0］就是所谓的column address（列地址），在进行擦除操作时不需要它，因为以块为单位擦除32个page需要5bit来表示，占用A［13:9］，即该page在块内的相对地址。

A8这一位地址被用来设置512byte的1st half page还是2nd half page，0表示1st，1表示2ndBlock的地址是由A14以上的bit来表示　　例如64MB（512Mb）的NAND flash（实际中由于存在spare area，故都大于这个值），共4096block，因此，需要12个bit来表示，即A［25:14］，如果是128MB（1Gbit） 的528byte/page的NAND Flash，则block address用A［26:14］表示而page address就是blcok address|page address in blockNAND Flash 的地址表示为： Block Address|Page Address in block|halfpage pointer|Column Address 地址传送顺序是Column Address，Page Address，Block Address　　由于地址只能在I/O［7:0］上传递，因此，必须采用移位的方式进行 例如，对于512Mbit x8的NAND flash，地址范围是0~0x3FF_FFFF，只要是这个范围内的数值表示的地址都是有效的。

以NAND_ADDR 为例：　　第1 步是传递column address，就是NAND_ADDR［7:0］，不需移位即可传递到I/O［7:0］上，而halfpage pointer即A8 是由操作指令决定的，即指令决定在哪个halfpage 上进行读写，而真正的A8 的值是不需程序员关心的　　第2 步就是将NAND_ADDR 右移9位，将NAND_ADDR［16:9］传到I/O［7:0］上；　　第3 步将NAND_ADDR［24:17］放到I/O上；　　第4步需要将NAND_ADDR［25］放到I/O上；　　因此，整个地址传递过程需要4 步才能完成，即4-step addressing 如果NAND Flash 的容量是32MB（256Mbit）以下，那么，block adress最高位只到bit24，因此寻址只需要3步　　下面，就x16 的NAND flash 器件稍微进行一下说明 由于一个page 的main area 的容量为256word，仍相当于512byte但是，这个时候没有所谓的1st halfpage 和2nd halfpage 之分了，所以，bit8就变得没有意义了，也就是这个时候 A8 完全不用管，地址传递仍然和x8 器件相同。

除了，这一点之外，x16 的NAND使用方法和 x8 的使用方法完全相同　　三 NAND Flash和NOR Flash的比较　　如果只是用来存储少量的代码，这时NOR闪存更适合一些而NAND则是高数据存储密度的理想解决方案　　NOR的特点是芯片内执行（XIP， eXecute In Place），这样应用程序可以直接在flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中NOR的传输效率很高，在1～4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能　　NAND结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快应用NAND的困难在于flash的管理和需要特殊的系统。