闪速存储器的研究与进展

3 “与非”结构的闪速存储器
　　
自从80年代末期“与非”(NAND)闪速存储器问世以来，由于其密度高、性能优良，其应用已扩展到一些大容量的存储领域。对于大容量应用，单存储位的价格是一个主要因素，并且出现了多重单元(multilevelcell)闪速存储器(即在不增大物理单元数的前提下存储密度提高2～3倍)，以降低价格，但同时牺牲了读出和编程性能。
　　
“与非”闪速存储器在编程和擦除操作中都利用FN隧道效应，以减少功耗，并允许以页为基础的编程操作，大大提高了编程效率。另一个优点是工艺简单，并且由于源漏结构简单，单元可以做得很小，多重单元概念与“与非”闪速存储器结合是解决大容量存储的理想选择。
　　
在“与非”闪速存储器中，多个串联的单元构成了一个“与非”串(NANDstring)，而这些位串分享一个公共的阵列地线(AGL)，如图2所示。当对一个选择的单元存取数据时，在同一位串中未选择的单元必须作为旁路晶体管，但这些未选择的单元的编程态会影响该位串的电流，位串电流的变化会引起单元Vth漂移。阵列地的扰动是使单元Vth漂移的另一个因素。这是因为在AGL线中存在电阻，在读出和编程操作时，源电压会升高，所以应尽量增加用铝做AGL的数量。
　　
一个64Mb的“与非”闪速存储器如图3所示。表5给出了64Mb闪速存储器的性能。

表5　64Mb“与非”闪速存储器的主要性能
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           工　艺         0.4，p型衬底CMOS，三阱，双层多晶，单层铝
        有效单元面积                       1.1um2
          芯片面积                    7.21×16.60=120mm2
           IPO厚度                          17nm
       隧道氧化层厚度                        9nm
            栅氧                     40nm(高压)，11nm(低压)
          电源电压                          3.3V
            结构                        (8M+256k)×8
           页大小                       (512+16)字节
        擦除字组大小                    (16k+256)字节
        页编程时间                        90us/页
       字组擦除时间                       2ms/字组
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4　闪速存储器中的误差校正(ECC)技术
　　
在闪速存储器中，用浮栅上电荷的多少来代表逻辑“0”和逻辑“1”。在擦除和编程过程中，由于隧道氧化层中存在高能电子的注入和发射，会带来缺陷和陷阱的产生。存储在浮栅上的电子会通过隧道氧化层的缺陷和陷阱泄漏。在读出时，由于VCC加到控制栅，浮栅慢慢地收集电子。电子的泄漏和收集引起了存储晶体管阈值电压的减少或增大，并且可能引起随机位失效。
　　
闪速存储器系统必须保证即使在经过105～106次擦写后存储的数据仍然能保持10年。通常用误差校正技术来提高闪速存储器的可靠性。在ATA卡中，采用闪速控制器，包括ATA接口来处理闪速芯片的读写，如图4所示。
　　
近年来，不带控制器的单闪速芯片的应用市场，如私人数字助理(personaldigitalassistants，PDAs)、IC卡和数字摄象机等正在扩大，所以需要直接和CPU相连的闪速存储器。尽管带ECC的闪速存储器芯片与不带ECC的闪速存储器芯片相比，芯片面积增大10％，但其价格却低。
　　
在闪速存储器中，擦除操作以字组为单位进行，所以除了位出错率外(一般要求出错率低于10-15)，还引入字组出错率，即在一个字组中出现错误的概率。对于8kb，字组出错率要求小于10-10。
　　
图6给出了并行ECC、串行ECC、压缩ECC的芯片面积增加率、功耗和随机存取时间的对比。在估算单元面积和功耗时，假定I/O数据长度是8位，存储阵列灵敏度放大器占70％的芯片面积。芯片中ECC的数目为8，由10个校验位而带来的存储单元、灵敏度放大器芯片面积的增加量为1.4％。假定在没有ECC时，随机存取时间为10us，对于一般平行处理ECC，10个200输入端异或校正产生器和512个10输入逻辑错误校正电路同时工作，在10ns的门延迟内校正错误码，这样增加的芯片面积为43％，峰值电流为600mA；对于一般串行处理ECC，8个522位寄存器在串行读时都处于工作状态，所以平均电流增大到50mA；虽然存储时间增加1.5倍，但增加的芯片面积仅为串行ECC的2/17，而且功耗电流压缩到11mA。
　　
图7给出了累计字组出错率与擦写周期的关系。实线和虚线分别表示带ECC和不带ECC电路的字组出错率。如果字组的大小为8kb(包括128个ECC字)。在没有ECC时，当字组中出现错误时，该字组被认为是一个失效字组；当有ECC时，直到该字组的一个ECC字出现两个错误时，该字组才被认为是出错的。所以，经过100万次擦写后，累计字组出错率提高6个数量级。