半導體集成電路夏煒煒揚州大學物理科學與技術學院E-mail：wwxia@1/14/20231第11章半導體存儲器2023/1/142內容提要概述存儲器的分類存儲器的容量存儲器的結構只讀存儲器（ROM）非揮發(fā)存儲器（NVRWM）隨機存取存儲器（RAM）2023/1/1431.存儲器分類一、概述存儲器是用來存放（記憶）數(shù)據(jù)、指令、程序等信息，并根據(jù)需要能讀出或既能讀出又能寫入這些信息的集成電路2023/1/144存儲容量：存儲單元的總數(shù)。2.存儲器的容量一個存儲單元可存儲一個二進制數(shù)位（bit）字長：字的位數(shù)稱為字長。如4位、8位、16位、32位等。因此，存儲容量常用“N（個字）×M（位）”表示。如：1024位的存儲器，若字長為8，則存儲128個字（128×8）。2023/1/1451DMemory結構Word0Word1Word2Wordn-1Wordn-2StorageCellmbitsnwordsS0S1S2S3Sn-2Sn-1Input/Outputnwordsn個選擇信號Word0Word1Word2Wordn-1Wordn-2StorageCellmbitsS0S1S2S3Sn-2Sn-1Input/OutputA0A1Ak-1Decoder通過譯碼器：輸入信號數(shù)k=log2n3.存儲器的結構2023/1/1462DMemory結構A0RowDecoderA1Aj-1靈敏放大器位線(bitline)字線(wordline)存儲單元(storagecell)行地址列地址AjAj+1Ak-1讀/寫電路ColumnDecoder2k-j2jInput/Output(mbits)2023/1/1473DMemory結構RowAddrColumnAddrBlockAddrInput/Output(mbits)優(yōu)點:1.更短的字或位線2.塊地址選擇只激活一個塊，因此節(jié)省功耗2023/1/148存儲器的構成：

1.存儲陣列

2.地址譯碼器（行和列地址譯碼器）

3.讀寫電路2023/1/149二、只讀存儲器ROM(ReadOnlyMemory)WLBLWLBL1WLBLWLBLWLBL0VDDWLBLGNDDiodeROMMOSROM1MOSROM21.只讀存儲器的存儲單元2023/1/14102.MOSORROMWL[0]VDDBL[0]WL[1]WL[2]WL[3]VbiasBL[1]Pull-downloadsBL[2]BL[3]VDD2023/1/14113.MOSNORROMWL[0]GNDBL[0]WL[1]WL[2]WL[3]VDDBL[1]Pull-updevicesBL[2]BL[3]GND2023/1/1412MOSNORROMLayout1用擴散層編程PolysiliconMetal1DiffusionMetal1onDiffusion面積小2023/1/1413MOSNORROMLayout2PolysiliconMetal1DiffusionMetal1onDiffusion用接觸孔編程工序為后期，因此不用在擴散層就等用戶2023/1/14144.MOSNANDROM默認情況下字線為高，被選中時為低。WL[0]WL[1]WL[2]WL[3]VDDPull-updevicesBL[3]BL[2]BL[1]BL[0]字線工作在負邏輯2023/1/1415MOSNANDROMLayout1不需要到VDD和GND的接觸孔;跟NORROM相比，性能有所下降。進一步更加減小了版圖面積；PolysiliconDiffusionMetal1onDiffusion用金屬1層編程用金屬將不需要的晶體管源漏短路2023/1/1416NANDROMLayout2PolysiliconThreshold-altering

implantMetal1onDiffusion用離子注入層編，需增加一道工序注入n型雜質降低閾值使其變成耗盡型，相當于短路2023/1/1417普通OR、NOR、NAND結構缺點靜態(tài)功耗大，當輸出為低（NOR、NAND）或高（OR）時，存在一個從VDD到GND的靜態(tài)電流通路。預充式NORROM2023/1/14185.預充式NORROMWL[0]GNDBL[0]WL[1]WL[2]WL[3]VDDBL[1]PrechargedevicesBL[2]BL[3]GNDφpre預沖管充電時，所有下拉管（字線控制的管子）關斷。優(yōu)點：消除了靜態(tài)功耗。缺點：增加了時鐘信號發(fā)生電路φpreWL[0]2023/1/14196.地址譯碼器(1).行譯碼器行譯碼器的任務是從存儲陣列諸多行中選中所需的行b.NAND譯碼器a.NOR譯碼器行譯碼器列譯碼器2023/1/1420PrechargedevicesVDDfGNDWL3WL2WL1WL0A0A0GNDA1A1fWL3A0A0A1A1WL2WL1WL0VDDVDDVDDVDD2-inputNORdecoder2-inputNANDdecoder規(guī)模較大時，NOR譯碼器譯碼速度快，但占面積大,NAND譯碼器面積小，但因管子串聯(lián)較多速度慢兩級譯碼方式2023/1/1421NAND譯碼器NOR譯碼器2023/1/1422兩級譯碼方式??????A2A2A2A3WL0A2A3A2A3A2A3A3A3A0A0A0A1A0A1A0A1A0A1A1A1WL1大大減少了串聯(lián)晶體管，增加了速度。2023/1/1423(2).列譯碼器A0S0BL0BL1BL2BL3A1S1S2S3D優(yōu)點：每個信號傳輸路徑上只增加了一個傳輸門，對速度影響小缺點：晶體管數(shù)目多基于傳輸門的列譯碼器譯碼器2023/1/1424BL0BL1BL2BL3DA0A0A1A1樹型列譯碼器優(yōu)點：晶體管數(shù)目大量減少缺點：速度減慢解決方法：加緩沖器2023/1/1425xxxxxPrCA3CA2CA1CA0RA3RA2RA1RA0Dout“1”“1”只讀存儲器舉例2023/1/1426xxxxxPrCA3CA2CA1CA0RA3RA2RA1RA0Dout“1”“0”只讀存儲器舉例2023/1/1427ROM的編程與分類⑴掩模ROM⑵可編程ROM（PROM）字線Wi位線Di(a)V1V2位線Di字線Wi(b)①熔絲型PROM存儲單元②PN結擊穿法PROM存儲單元2023/1/1428FloatinggateSourceSubstrateGateDrainn+n+_ptoxtox器件截面圖電路符號GSD1.Floating-GateTransistor(EPROM)三、非揮發(fā)性存儲器2023/1/1429浮柵晶體管的編程過程0V0VDS5V5VDS

.20V20VDS加上高的編程電壓后，發(fā)生雪崩倍增產(chǎn)生的高能熱電子注入浮柵一般用紫外擦除電壓移去后，電荷依然存在加上普通工作電壓后，由于晶體管閾值電壓被抬高從而不導通2023/1/1430A“Programmable-Threshold”Transistor2023/1/1431特點：1.只能“系統(tǒng)外”擦除，擦除時間長；2.位密度高，價格低。2023/1/14322.EEPROM(電可擦除可編程只讀存儲器)FloatinggateSourceSubstratepGateDrainn+n+Fowler-Nordheim

I-Vcharacteristic20–30nm-10V10VIVGD氧化層厚度10nm2023/1/1433EEPROM的編程過程10V0V隧道擊穿機理電子注入浮動柵極移去編程電壓后電荷仍被捕獲5V5V編程形成了較高的閾值電壓2023/1/1434EEPROM的擦除過程0V10V隧道擊穿機理電子注出浮動柵極擦除后恢復未編程狀態(tài)過擦除形成耗盡型晶體管0V10V問題：標準字線無法關斷晶體管2023/1/1435B2讀出錯誤?。?023/1/1436EEPROMCellWLBLVDD2transistorcell被編程晶體管閾值大于VDD,相當于開路未被編程晶體管處于常通狀態(tài)2023/1/1437WL控制柵2浮柵1VDDe-e-N+N+N+選擇晶體管BLGndFN隧道效應P－sub特點：1.可按位（字節(jié)）擦除；2.每個單元需要2個晶體管，位密度低，價格比EPROM高。2023/1/14383.FlashEEPROMControlgateerasurep-substrateFloatinggateThintunnelingoxiden+sourcen+drainprogramming編程：熱電子注入擦除：隧穿機理2023/1/1439Cross-sectionsofNVMcellsEPROMFlash2023/1/1440BasicOperationsinaNORFlashMemory―Write2023/1/1441BasicOperationsinaNORFlashMemory―Read2023/1/1442BasicOperationsinaNORFlashMemory―Erase特點：1.須按塊擦除；2.位密度高，速度快2023/1/1443CharacteristicsofState-of-the-artNVM2023/1/1444四、讀寫存儲器(RAM)靜態(tài)讀寫存儲器(SRAM)動態(tài)態(tài)讀寫存儲器(DRAM)存儲數(shù)據(jù)保存時間長面積大(6transistors/cell)快需要周期性刷新面積小(1-3transistors/cell)慢2023/1/1445時序電路的存儲機理？011001×1×靜態(tài)保持動態(tài)保持11×2023/1/1446基本SRAM單元和電壓傳輸特性字線位線位線qq211.SRAM2023/1/1447WLBLVDDM5M6M4M1M2M3BLQQVDDVDDCCCCP208圖10.37(1)6管CMOSSRAM單元2023/1/1448CMOSSRAMAnalysis(Read)WLBLVDDM5M6M4M1M2M3BLQ=1Q=0VDDVDDCCCC讀信號時根據(jù)位線上電平是否有變化判斷為“1”或“0”無變化有變化2023/1/1449CMOSSRAMAnalysis(Write)WLBL=1VDDM5M6M4M1M2M3BL=0Q=0Q=12023/1/14506T-SRAM—LayoutVDDGNDQQWLBLBLM1M3M4M2M5M6WLBL=1VDDM5M6M4M1M2M3BL=0Q=0Q=12023/1/1451Resistance-loadSRAMCellM3RLRLVDDWLQQM1M2M4BLBL2023/1/1452SRAMCharacteristics2023/1/1453(2)差分靈敏放大器（用于SRAM）M4M1M5M3M2VDDbitbitSEy偏置電流源ISS電流鏡I3I4I3=I4OUT穩(wěn)態(tài)時，I1=I2=ISS/2I1I21.設bit下降到一個規(guī)定值時使得M1關斷，則

I3=I4=0I2=ISSOUT恒流放電至02.設bit下降到一個規(guī)定值時使得M2關斷，則

I1=ISS

I2=0I3=I4=ISSOUT恒流充電至VDD2023/1/14542.DRAMWWLBL1M1XM3M2CSBL2RWLVDDVDD-VTDVVDD-VTBL2BL1XRWLWWL(1)3管DRAM單元2023/1/14553T-DRAM—LayoutBL2BL1GNDRWLWWLM3M2M1WWLBL1M1XM3M2CSBL2RWL2023/1/1456

Write:通過字線和位線CS被充電或放電.Read:電荷在存儲電容和位線電容之間進行再分配電壓變化量較小;典型值大約250mV.DVBLVPRE–(VBITVPRE)–CSCSCBL+------------==V破壞性讀，需動態(tài)恢復刷新(2)1管DRAM單元X重分配后位線電壓CS上的初始電壓202