存储器原理及进展

半导体存储器基本原理与最新研究进展

微电子学研究所

许军

2007年9月5日

主要内容

•半导体存储器概述；

•半导体存储器的分类与基本架构；•半导体存储器的主要技术指标；•半导体存储器的基本原理；

•半导体存储器的最新进展。

半导体存储器概述

Semiconductor Memory Market

Memory In Your Hands Today(~2007)

Memory In Your Hands In The Future(~2010)

ARB Core Die shot of SoftFone Chip w/ embedded DSP core

Basic Memory Types

“FLASH”

Attributes of An Ideal Memory

1.Non-volatility（不挥发）

2.High density (small volume/bit)（高密度）

3.Low power consumption（低功耗）

4.In-system re-writability（可重写）

5.Bit alterability (bit-writable)（按位可写）

6.Direct overwrite without prior erase（可直接覆盖重写）

7.Fast read/write/erase（快速读写擦）

8.Endurance (high write/erase cycles)（耐久性）

9.Low cost（低成本）

10.Single (low) power supply（单电源、低电压）

11.Scalable（可等比例缩小）

12.Reliability（可靠性）

13.Integrable with other system technologies（可集成）

Technology Trend

半导体存储器的分类与基本架构

半导体存储器的分类：

•挥发性存储器（易失性存储器）

Volatile Memories (SRAM, DRAM)

•不挥发性存储器（非易失性存储器）Non-Volatile Memories (ROMs, EPROMs, EEPROMs, Flash, FeRAM, MRAM)

半导体存储器的分类与基本架构

半导体存储器的基本架构：

•存储单元矩阵（Memory cell array）

•外围电路（Peripheral circuits）

地址译码电路（行地址译码器、列行地址译码器等）

数据读写电路（读出放大器、灵敏/恢复放大器等）

时序控制电路（包括各种时钟电路等）

衬偏发生器电路（包括其它高压产生电路等）

Memory Chip Configuration

Row and Column Decoders

One dimensional Two dimensional A matrix arrangement reduces the number of drivers from 2N+M to 2N+2M

Concept of Feature Size (F)

Memory Cell Area

•Memory cell size is usually measured in number of F2

•The cross-point memory array achieves the theoretical minimum area of 4F2

•Typical values:

–DRAM: 6 –8 F2

–SRAM: 100 –120 F2

–NOR FLASH: 8 –10 F2

–NAND FLASH: 4 –6 F2

•But…F2does not tell the whole story about cell size (and therefore chip size)

•Array efficiency needs to be included

–Area occupied by address decoders

–Sense amplifiers

–Array partitioning for speed

–Charge pumps for higher voltages on-chip

Device Scaling Works!

•Array efficiency ~60%

64Mb DRAM

300 nm technology

2Gb DRAM

80 nm technology

Example DRAM Chips

•2X increase in area, 4X increase in capacity •Typical trend: feature size shrinkage plus chip size increase per generation

半导体存储器的主要技术指标•半导体存储器的容量（与存储单元的结构、芯片面积以及制造工艺密切相关）•半导体存储器的存取时间（与存储器的总体架构、存储单元的电路结构以及芯片的制造工艺等密切相关）

•半导体存储器的功耗（同样也与存储器的总体架构、存储单元的电路结构以及芯片的制造工艺等密切相关）

1. 只读存储器ROM（Read Only Memory）•这里主要是指各种Mask ROM, 其中所存储的数据已在硅晶园片制作时完全确定。•在电路的使用过程中，存储的数据只能读出而不能重新写入。

•用途：各种固化的微控制程序（微指令）以及计算器（函数表）芯片，各种固化的语音（音乐）芯片等。