? ?作者簡(jiǎn)介：?

陳精緯，十多年半導(dǎo)體行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，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(guó)際、NXP、華力微電子等國(guó)內(nèi)國(guó)際半導(dǎo)體大廠。有十余篇中國(guó)，美國(guó)，日本及韓國(guó)授權(quán)專利。目前主要在從事具有國(guó)內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的存儲(chǔ)芯片研發(fā)工作。

正文：

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器一般可分為易失性(Volatile Memory)和非易失性存儲(chǔ)器(Non Volatile?Memory)。易失性存儲(chǔ)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(huì)丟失，主要有靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM: Static Random Access Memory) 和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器DRAM(Dynamic Random Access Memory)。

一．易失性存儲(chǔ)器（SRAM和DRAM）

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

圖1 SRAM 電路圖

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

DRAM 動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器是另一種常用的易失性存儲(chǔ)器，DRAM主要是1T1C結(jié)構(gòu)，通過晶體管開關(guān)對(duì)電容充放電達(dá)到讀取數(shù)據(jù)的目的。

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

圖2? DRAM 電路圖

二．非易失性存儲(chǔ)器 (主要是Flash Memory)

在半導(dǎo)體器件中非易失存儲(chǔ)器(Non-volatile memory, 簡(jiǎn)稱 NVM)的應(yīng)用十分廣泛。它的特點(diǎn)是在斷電后還能保存存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。最早的非易失存儲(chǔ)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(jìn)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(jìn)行電學(xué)擦除的 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)。當(dāng)電子注入并存儲(chǔ)于浮柵中時(shí)代表信息“0”，當(dāng)電子從浮柵中被擦除時(shí)代表信息“1”。EEPROM的成本比EPROM低，缺點(diǎn)是編程和擦除需 按字節(jié)(byte)進(jìn)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(jìn)了電路設(shè)計(jì)，使很多個(gè)存儲(chǔ)單元 (cell)能同時(shí)進(jìn)行編程和擦除的動(dòng)作，這就是現(xiàn)在常用的快閃存儲(chǔ)器(Flash EEPROM,簡(jiǎn)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(chǔ)容量有限，一般用來存儲(chǔ)代碼等; NAND 讀寫速度慢，但是容量大，可以存儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)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(shì)，幫助電子克服勢(shì)壘(Energy Barrier)通過隧穿氧化層(Tunnel Oxide) 注入進(jìn)FG，完成編程（Program）。

由于熱電子注入（HCI）的物理機(jī)理，產(chǎn)生的熱電子是基于幸運(yùn)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(zhǎng)低于110納米時(shí)候容易發(fā)生punch through, 限制了器件的進(jìn)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(diǎn)，同時(shí)這些編程方式對(duì)于隧穿氧化層（Tunnel Oxide）損傷較大，對(duì)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(jī)構(gòu)開展新型非易失存儲(chǔ)器的研究，主要引入新材料和新介質(zhì)，比如磁存儲(chǔ)器(MRAM), 相變存儲(chǔ)器(PCRAM: Phase Change Random Access Memory), 鐵電存儲(chǔ)器(FeRAM)， 阻變存儲(chǔ)器(RRAM)等，目前已經(jīng)有些存儲(chǔ)器在商業(yè)化應(yīng)用中，對(duì)于傳統(tǒng)Flash Memory也是個(gè)有益的補(bǔ)充。

總結(jié)

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器在日常生活，工業(yè)生產(chǎn)及國(guó)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(guó)外大廠（三星/美光/海力士）所把持，國(guó)內(nèi)之前也偏重于SOC邏輯芯片，對(duì)存儲(chǔ)這方面重視不夠。

隨著2018年開始的中美科技貿(mào)易戰(zhàn)，國(guó)內(nèi)開始重視并加大了***替代，也大力扶持了長(zhǎng)江存儲(chǔ)、合肥長(zhǎng)鑫等一批國(guó)產(chǎn)存儲(chǔ)芯片龍頭企業(yè)，在高端存儲(chǔ)芯片領(lǐng)域拉近了和國(guó)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(duì)于“存算一體”需求加大，存儲(chǔ)芯片領(lǐng)域必將有持續(xù)的發(fā)展，期待國(guó)產(chǎn)存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)能早日突破，在各個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)中國(guó)芯。

審核編輯：湯梓紅