EEPROM原理

固态电子器件作业EEPROM、Flash、RROM原理分析及比较
专业：电子科学与技术
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EEPROM原理：
PROM是可编程器件,主流产品是采用双层栅(二层poly)结构,其中有EPROM和EEPROM 等,工作原理大体相同,主要结构如图所示：
图1
浮栅中没有电子注入时,在控制栅加电压时,浮栅中的电子跑到上层,下层出现空穴。

由于感应,便会吸引电子,并开启沟道。

如果浮栅中有电子的注入时,即加大的管子的阈值电压,沟道处于关闭状态。

这样就达成了开关功能。

图2
如图2所示,这是EPROM的写入过程,在漏极加高压,电子从源极流向漏极沟道充分开启。

在高压的作用下,电子的拉力加强,能量使电子的温度极度上升,变为热电子(hot electron)。

这种电子几乎不受原子的振动作用引起的散射,在受控制栅的施加的高压时,热电子使能跃过SiO2的势垒,注入到浮栅中。

在没有别的外力的情况下,电子会很好的保持着。

在需要消去电子时,利用紫外线进行照射,给电子足够的能量,逃逸出浮栅。

图3
EEPROM的写入过程,是利用了隧道效应,即能量小于能量势垒的电子能够穿越势垒到达另一边。

量子力学认为物理尺寸与电子自由程相当时,电子将呈现波动性,这里就是表明物体要足够的小。

就pn结来看,当p和n的杂质浓度达到一定水平时,并且空间电荷极少时,电子就会因隧道效应向导带迁移。

电子的能量处于某个级别允许级别的范围称为“带”,较低的能带称为价带,较高的能带称为导带。

电子到达较高的导带时就可以在原子间自由的运动,这种运动就是电流。

EEPROM写入过程,如图3所示,根据隧道效应,包围浮栅的SiO2,必须极薄以降低势垒。

源漏极接地,处于导通状态。

在控制栅上施加高于阈值电压的高压,以减少电场作用,吸引电子穿越。

图4
要达到消去电子的要求,EEPROM也是通过隧道效应达成的。

如图4所示,在漏极加高压,控制栅为0V,翻转拉力方向,将电子从浮栅中拉出。

这个动作,如果控制不好,会出现过消去的结果。

Flash原理：
现在的半导体存储设备普遍采用了一种叫做“FLASH MEMORY”的技术。

从字面上可理解为闪速存储器，它的擦写速度快是相对于EPROM而言的。

FLASH MEMORY是一种非易失型存储器，因为掉电后，芯片内的数据不会丢失，所以很适合用来作电脑的外部存储设备。

它采用电擦写方式、可10万次重复擦写、擦写速度快、耗电量小。

1.NOR型FLASH芯片
我们知道三极管具备导通和不导通两种状态，这两种状态可以用来表示数据0和数据1，因此利用三极管作为存储单元的三极管阵列就可作为存储设备。

FLASH技术是采用特殊的浮栅场效应管作为存储单元。

这种场效应管的结构与普通场管有很大区别。

它具有两个栅极，一个如普通场管栅极一样，用导线引出，称为“选择栅”；另一个则处于二氧化硅的包围之中不与任何部分相连，这个不与任何部分相连的栅极称为“浮栅”。

通常情况下，浮栅不带电荷，则场效应管处于不导通状态，场效应管的漏极电平为高，则表示数据1。

编程时，场效应管的漏极和选择栅都加上较高的编程电压，源极则接地。

这样大量电子从源极流向漏极，形成相当大的电流，产生大量热电子，并从衬底的二氧化硅层俘获电子，由于电子的密度大，有的电子就到达了衬底与浮栅之间的二氧化硅层，这时由于选择栅加有高电压，在电场作用下，这些电子又通过二氧化硅层到达浮栅，并在浮栅上形成电子团。

浮栅上的电子团即使在掉电的情况下，仍然会存留在浮栅上，所以信息能够长期保存（通常来说，这个时间可达10年）。

由于浮栅为负，所以选择栅为正，在存储器电路中，源极接地，所以相当于场效应管导通，漏极电平为低，即数据0被写入。

擦除时，源极加上较高的编程电压，选择栅接地，漏极开路。

根据隧道效应和量子力学的原理，浮栅上的电子将穿过势垒到达源极，浮栅上没有电子后，就意味着信息被擦除了。

由于热电子的速度快，所以编程时间短，并且数据保存的效果好，但是耗电量比较大。

每个场效应管为一个独立的存储单元。

一组场效应管的漏极连接在一起组成位线，场效应管的栅极连接在一起组成选择线，可以直接访问每一个存储单元，也就是说可以以字节或字为单位进行寻址，属于并行方式。

因此可以实现快速的随机访问，但是这种方式使得存储密度降低，相同容量时耗费的硅片面积比较大，因而这种类型的FLASH芯片的价格比较高。

2.NAND型FLASH芯片
NAND型FLASH芯片的存储原理与NOR型稍有不同，编程时，它不是利用热电子效应，而是利用了量子的隧道效应。

在选择栅加上较高的编程电压，源极和漏极接地，使电子穿越势垒到达浮栅，并聚集在浮栅上，存储信息。

擦除时仍利用隧道效应，不过把电压反过来，从而消除浮栅上的电子，达到清除信息的结果。

利用隧道效应，编程速度比较慢，数据保存效果稍差，但是很省电。

一组场效应管为一个基本存储单元（通常为8位、16位等）。

一组场效应管串行连接在一起，一组场效应管只有一根位线，属于串行方式，随机访问速度比较慢。

但是存储密度很高，可以在很小的芯片上做到很大的容量。

3.AND型FLASH芯片
AND技术是Hitachi公司的专利技术。

AND是一种结合了NOR和NAND的优点的串行FLASH芯片，它结合了INTEL公司的MLC技术，加上0.18μm的生产工艺，生产出的芯片，容量更大、功耗更低、体积更小、采用单一操作电压、块比较小。

并且由于内部包含与块一样大的RAM缓冲区,因而克服了因采用MLC技术带来的性能降低。

（MLC(Multi-level Cell)技术，这是INTEL提出的一种旨在提高存储密度的新技术。

通常数据存储中存在一个阙值电压，低于这个电压表示数据0，高于这个电压表示数据1，所以一个基本存储单元（即一个场效应管）可存储一位数据（0或者1）。

现在将阙值电压变为4种，则一个基本存储单元可以输出四种不同的电压，令这四种电压分别对应二进制数据00、01、10、11，则可以看出，每个基本存储单元一次可存储两位数据（00或者01或者10或者11）。

如果阙值电压变为8种，则一个基本存储单元一次可存储3位数据。

阙值电压越多，则一个基本存储单元可存储的数据位数也越多。

这样一来，存储密度大大增加，同样面积的硅片上就可以做到更大的存储容量。

不过阙值电压越多，干扰也就越严重。

）
RRAM 的原理：
尽管RRAM 阻变机制仍不明确，但RRAM 工作原理基本被确定。

RRAM 工作原理可以分为两类：双极阻变机制与单极阻变机制。

双极阻变机制主要是利用电压极性的不同来实现电阻在高低阻之间转换，而单极阻变机制则是利用相同极性但不同大小的电压来实现高低电阻转换。

尽管两种机制改变电阻方式不同，但电阻转变行为特性基本一致。

根据电阻转变特性，RRAM 工作过程主要包括FORMING 过程以及SET 和RESET 过程。

1.FORMING 过程
新制备的未使用过的RRAM 器件一般来说呈高阻态（HRS），通过对这种高阻态器件
施加一定的偏压，当外加偏压从0 逐渐增加时，通过器件的电流会在外加电压达到某一特定值时突然增大，这意味着器件的电阻相应变小，即成为通常所说的低阻态（LRS），该加电过程被称为FORMING 过程，而电流发生跃迁时外加电压值即为Vform（FORMING电压）。

图2.1为Pt/TiO2/Pt 结构NVM 器件FORMING过程的I-V 特性曲线，其中（a）线性坐标（b）半对数坐标。

如图 2.1 所示，在外加电压很小时，电流并没有发生明显的变化，而当电压超过3V 时，电流开始逐渐缓慢上升，当电压增加到 4.5V 时，电流迅速跃迁至饱和。

该特性曲线展现出了明显的FORMING 过程。

图2.2 为TiN/TiOx/HfOx/TiN 器件FORMING 电压和HfO2厚度的关系，从图中可以看出，在HfO2厚度大于5nm 时，FORMING 电压与其厚度为近似线性关系，而当HfO2厚度不大于3nm 时，RRAM 则不需要FORMING 过程。

这一点对于未来的RRAM 是非常有利的，虽然目前大部分RRAM 器件都具有FORMING 过程，但是其本身是一个不利的特性，如果通过采用一定的工艺手段将其消除，将会使器件在低功耗以及可靠性等方面表现出更加卓越的性能。

2.SET 和RESET 过程
经过FORMING 后的器件一般处于低阻态，而RRAM 作为存储单元，需要在
高低阻态之间转换，才能实现数据存储。

那么，RESET 过程就是将器件从低阻态
转换成高阻态的过程。

而SET 过程则正好相反，其会使高阻态器件重新转变为低
阻态。

因此，通过SET 和RESET 操作，器件将在高低阻态之间不断切换，从而构
成了RRAM 二值存储的基础。

图 2.3 所示为1R 和1T1R 结构的TiN/TiOx/HfOx/TiN 的双极阻变转换特性，从图中可以看出，SET 电压为正，RESET 电压为负，且SET 电压绝对值要大于RESET 电压绝对值，这也是具有一般性的，可以代表绝大多数双极转换器件的I-V特性。

图 2.4 所示为Pt/TiO2/Pt 器件单极转换模式下的SET 和RESET 过程I-V 特性，其中SET和RESET电压的极性相同，均为正。

这样将会对器件的SET和RESET电压窗口提出了相对较高的要求，以保证对数据读写操作的可靠性。

对于SET 电压，RESET 电压和FORMING 电压之间的大小关系，图 2.5 所示为Pt/TiO2/Pt 结构NVM 器件的SET，RESET 和FORMING 过程I-V 特性。

由曲线可以看出，FORMING 电压大约是SET 电压的两倍，而SET 电压又是RESET 电压的两倍左右。

这也反映出，如果通过一定的工艺手段，消除FORMING 过程，那么器件的工作电压将会减小很多，这将会大幅提高器件的可靠性和尺寸缩小特性。

EEPROM、Flash、RROM相互之间的优劣：
EEPROM指的是“电可擦除可编程只读存储器”，即Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory。

它的最大优点是可直接用电信号擦除，也可用电信号写入。

EEPROM 不能取代RAM的原因是其工艺复杂，耗费的门电路过多，且重编程时间比较长，同时其有效重编程次数也比较低。

Flash memory指的是“闪存”，所谓“闪存”，它也是一种非易失性的内存，属于EEPROM 的改进产品。

与其他存储介质相比, Flash 存储器具有的优点有：与低读、写延迟和包含机械部件的磁盘相比, Flash 存储器的读、写延迟较低;统一的读性能, 寻道和旋转延迟的消除使得随机读性能与顺序读性能几乎一致;低能耗, 能量消耗显著低于RAM 和磁盘存储器;高可靠性,MTBF(mean time between failures)比磁盘高一个数量级;能适应恶劣环境, 包括高温、剧烈震动等.它的最大特点是必须按块(Block)擦除(每个区块的大小不定，不同厂家的产品有不同的规格)，而EEPROM则可以一次只擦除一个字节(Byte)。

目前“闪存”被广泛用在PC机的主板上，用来保存BIOS程序，便于进行程序的升级。

其另外一大应用领域是用来作为硬盘的替代品，具有抗震、速度快、无噪声、耗电低的优点，但是将其用来取代RAM 就显得不合适，因为RAM需要能够按字节改写，而Flash ROM做不到。

RRAM是使用强相关（Strongly Correlated）电子类的材料（如NiO、PCMO等），这类型的材料具备CER（Colossal Electroresistance）的特质效应，即是对材料施压电压脉冲后，材料的电阻阻值会发生剧烈改变，使材料成为高阻值；反之，若从另一个方向施加电压脉冲则会使材料转变成低阻值，运用阻值高、低的两种状态来储存位元资料。

由此可知RRAM是运用特有材料的效应来实现储存，不过目前研究人员尚未全面了解效应产生的箇中原因，只知效应的存在，并可做为储存记忆。

除了RRAM之名外，使用相同材料与效应的研究还有Infineon的CBRAM及Samsung的OxRRAM，本质上也是RRAM，
皆运用CER效应，但使用的材料则各有不同，如OxRRAM使用NiO，Spansion研发的RRAM 则使用CuO2。

在运用表现上，RRAM的存取速度与SRAM相近，且断电后资料仍可留存，记忆格密度上接近于NAND型Flash，读取时为非破坏性读取，可写入次数超过10的13次方次。

不过RRAM技术尚未成熟，尚无任何业者将其正式量产、销售。