闪速存储器的研究与进展

摘 要 80年代中期以来，EPROM的容量每两年翻一番。通用E2PROM与EPROM相比，具有价格低、擦除简单等优点，但由于每个存储单元有两只晶体管，开发大容量E2PROM是非常困难的。用2um工艺制作的两管E2PROM的最大容量为64kb。Masupka等人利用只有1只晶体管的E2PROM单元和新的擦除/编程电路技术及高速灵敏度放大器，于1987年报道了第一块256kb闪速E2PROM(即闪速存储器)。之所以称为闪速，是因为它能同时、快速地擦除所有单元。表1比较了第一块闪速存储器与EPROM、一次编程PROM、E2PROM的性能。
内 容 1　引　言
　　80年代中期以来，EPROM的容量每两年翻一番。通用E2PROM与EPROM相比，具有价格低、擦除简单等优点，但由于每个存储单元有两只晶体管，开发大容量E2PROM是非常困难的。用2um工艺制作的两管E2PROM的最大容量为64kb。Masupka等人利用只有1只晶体管的E2PROM单元和新的擦除/编程电路技术及高速灵敏度放大器，于1987年报道了第一块256kb闪速E2PROM(即闪速存储器)。之所以称为闪速，是因为它能同时、快速地擦除所有单元。表1比较了第一块闪速存储器与EPROM、一次编程PROM、E2PROM的性能。
表1　闪速存储器、EPROM、一次编程PROM、E2PROM的性能对比
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　UV-EPROM 一次编程PROM 双管E2PROM 闪速存储器
封装 窗口陶瓷封装 塑封 塑封 塑封
擦除时间 20min 不可擦除 1ms 100us
编程时间 ＜1ms ＜1ms ＜1ms 100us
单元面积/um2 64 64 270 64
芯片面积/mm2 32.9 32.9 98 32.9
可靠性 筛选方法 非筛选 筛选 筛选
擦除方法 紫外线 不能擦除 电可擦除 电可擦除
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常规的紫外线擦除EPROM由于采用陶瓷封装，需要一个擦除窗口，所以价格比较高，而且擦除时需要在紫外光下照射20分钟。一次编程PROM在编程后就不能再擦除。由于常规E2PROM每个单元中有两只晶体管，所以单元面积很大，用2um设计规则设计的256kb E2PROM的面积至少达98mm2。闪速存储器的单元面积仅为常规E2PROM的1/4，所以容量可以做得很大，闪速存储器是要求存储器容量不断扩大的产物。
　　1989年报道了1Mb的闪速存储器，采用以EPROM工艺为基础的CMOS工艺，单元面积为15.2um2，存取时间为9ns，片擦除时间为900ms，编程速度为10μs/字节，芯片面积为5.74mm x 6.75mm，表2给出了主要的器件参数。
表2　1Mb闪速存储器的主要参数
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工　艺 单　元 纵向尺寸 器　件
1.0um光刻 面积3.8um×4um Tox=25nm 芯片面积：38.8um2
2层多晶 隧道氧化层：10nm 有效N+P=0.9um 组织结构：128k×8
n阱 读出电流＝95uA Xjn=0.3um 存取时间：90ns
　 擦除时间＝900ms Xjp=0.6um 功耗：8mA
编程时间＝100us/字节 静态功耗：4uA
封装：32pin陶瓷
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　1994年，Atsumi等人报道了用0.6um、三阱、双层多晶硅、单铝CMOS工艺制作的16Mb闪速存储器，存储时间为73ns，编程速度为10us/字节，单元尺寸为2.0um×1.7um，芯片面积为17.32mm×7.7mm。
　近几年，采用0.4um工艺的64～128Mb闪速存储器已大量报道。采用0.25um工艺的闪速存储器也已问世，工作电压为2.5V，芯片面积为105.9mm2。本文主要论述闪速存储器的原理及技术动向。