走進(jìn)閃存技術(shù)

作為EPROM（可擦除可編程只讀存儲器）和EEPROM（電可擦除可編程只讀存儲器）兩種存儲器的折衷，閃存是20世紀80年代問(wèn)世的。像EEPROM存儲器一樣，閃存支持電擦除數據；保存新數據閃存無(wú)需擦除整個(gè)存儲陣列。像EPROM存儲器一樣，閃存陣列的架構是每單元一個(gè)晶體管結構，使芯片廠(chǎng)商能夠制造出成本效益和存儲密度更高的存儲器。

首先，閃存受益于PC機市場(chǎng)的飛速增長(cháng)。在PC時(shí)代剛剛開(kāi)始時(shí)，易失性存儲器DRAM (動(dòng)態(tài)隨機存取存儲器)和SRAM (靜態(tài)隨機存取存儲器) 雖然固有數據易失性的缺點(diǎn)，但仍然是兩個(gè)最重要的存儲器。隨著(zhù)設計和工藝技術(shù)的進(jìn)步提高了閃存技術(shù)的密度和可用性，作為對現有的SRAM和DRAM子系統的一種補充，閃存斷電保留數據和高速度讀取的性能加快了其在市場(chǎng)上的推廣應用。

因為功耗低和非易失性的優(yōu)點(diǎn)，閃存被證明是最適合便攜應用發(fā)展的非易失性存儲器，因此加快了移動(dòng)時(shí)代的到來(lái)。最早出現的閃存是以代碼執行為主要應用的NOR閃存。此后又出現了另外一種叫做NAND的閃存，隨著(zhù)閃存的每位成本降低，完整的存儲解決方案開(kāi)始從硬盤(pán)（HDD）開(kāi)始向固態(tài)存儲器轉換，從而推動(dòng)了今天的移動(dòng)多媒體應用的發(fā)展。

技術(shù)說(shuō)明:

閃存、EPROM和EEPROM器件保存數據都使用相同的基本浮柵機制，但是讀寫(xiě)數據時(shí)卻采用不同的方法。無(wú)論是哪一種情況，基本存儲單元都是由一個(gè)雙柵MOS晶體管(MOSFET)組成：控制柵連接讀寫(xiě)電路，浮柵位于控制柵和MOSFET的溝道 (在MOSFET上電子從源極流到漏極經(jīng)過(guò)的通道)之間。

在一個(gè)標準MOSFET內，控制溝道的電阻只使用一個(gè)柵極控制電流：通過(guò)在柵極上施加電壓，可以控制從源極流到漏極的電流的大小。非易失性存儲器中的MOSFET還有第二個(gè)柵極，一個(gè)二氧化硅絕緣層將這個(gè)柵極完全包圍起來(lái)，即第二個(gè)柵極與晶體管的其余部分保持絕緣狀態(tài)。因為浮柵到MOSFET溝道的距離非常近，所以，電荷即使很小，對晶體管的電特性的作用也很容易檢測到。通過(guò)給控制柵施加適當的信號，并測量晶體管特性的變化，可以確定浮柵上是否存在電荷。因為浮柵與其余晶體管其余部分是絕緣的，所以把電子移入/移出浮柵需要特殊的方法。

其中一種方法是通過(guò)在MOSFET的源漏極之間產(chǎn)生較大的電流，使MOSFET溝道充滿(mǎn)大量的高能電子。在這些?熱?電子中，有些電子的能量十分高，足以跨過(guò)溝道之間的勢壘進(jìn)入浮柵。當源漏極之間的大電流消失時(shí)，這些電子仍然陷在浮柵內。這就是給EPROM和閃存的存儲單元編程所采用的方法。這種技術(shù)叫做溝道熱電子(CHE)注射，通過(guò)這種技術(shù)，可以給浮柵加載電荷，但是不能釋放電荷。EPROM是采用給整個(gè)存儲陣列覆蓋紫外線(xiàn)的方法給浮柵放電，高能量紫外線(xiàn)穿透芯片結構，把能量傳給被捕獲的電子，使他們能夠從浮柵內逃逸出來(lái)。這是一種簡(jiǎn)單而有效的擦除方法，同時(shí)證明過(guò)擦除，即在浮柵放電結束后繼續給芯片通紫外線(xiàn)，不會(huì )損壞芯片。

第二種將電荷移入浮柵內的方法是利用叫做隧穿的量子力學(xué)效應：通過(guò)在MOSFET控制柵與源極或漏極之間施加足以使電子隧穿氧化硅絕緣層進(jìn)入源極的電壓，從浮柵中取出電子。在一定時(shí)間內隧穿氧化硅絕緣層的電子數量取決于氧化層的厚度和所通電壓的大小。為滿(mǎn)足實(shí)際電壓值和擦除時(shí)間的限制條件，絕緣層必須非常薄，通常厚度為7nm (70 Angstroms)。

EEPROM存儲器采用量子隧穿技術(shù)，根據所通電壓的極性給浮柵充電和放電。因此，我們可以把閃存視為一個(gè)像EPROM一樣編程、像EEPROM一樣擦除的存儲器，不過(guò)，閃存技術(shù)并不是把EEPROM擦除機制移植到EPROM上那么簡(jiǎn)單。

隔離浮柵與源極的氧化層的厚度是EPROM與其它兩個(gè)工藝之間最大的差別。在一個(gè)EPROM內，絕緣層厚度通常為 20-25nm，但是這個(gè)絕緣層太厚了，利用一個(gè)實(shí)際電壓，以可接受的速率，是無(wú)法隧穿這個(gè)絕緣層的。閃存器件要求隧穿氧化層厚度大約10nm，氧化層的質(zhì)量對閃存的性能和可靠性影響很大。這是只有很少的半導體廠(chǎng)商掌握閃存技術(shù)原因之一，能夠整合閃存技術(shù)與主流的CMOS工藝，制造內置閃存的微控制器的產(chǎn)品的廠(chǎng)商就更少了。

多位單元技術(shù)

傳統上，浮柵機制用于存儲一個(gè)單一的數據位，這種數據需通過(guò)對比MOSFET閾壓和參考電壓來(lái)讀取。但是，有了更加先進(jìn)的讀寫(xiě)技術(shù)，可以區分兩個(gè)以上的浮柵電荷狀態(tài)，因此可以在一個(gè)浮柵上存儲兩個(gè)以上的數據位。這是一個(gè)重大的技術(shù)突破，對于給定的單元尺寸，每個(gè)單元存儲兩個(gè)數據位相當于把存儲容量提高了一倍。ST世界上僅有的幾家能夠提供多位單元架構的閃存芯片廠(chǎng)商之一。

NAND與 NOR對比

雖然所有閃存都使用相同的基本存儲單元，但是，在整個(gè)存儲陣列內，有多種方法將存儲單元連接在一起。NOR和NAND是其中兩個(gè)最重要的架構，這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)自傳統的組合邏輯電路，指示了存儲陣列的拓撲，以及讀寫(xiě)每個(gè)單元的存取方式。最初，這兩個(gè)在原理上存在差別的架構之間有一個(gè)基本區別，讀取速度快是NOR器件的固有特性，而存儲密度高是NAND閃存的特長(cháng)（因為NAND單元比NOR單元小大約40％）。ST是按照存儲密度給這兩個(gè)架構定位：:對于1 Gbit 以及以上的應用，NAND閃存目前被認為是最具成本效益的解決方案。對于存儲密度1 Gbit以下的應用，還要根據應用需求考慮以下的參數，包括伴隨RAM的存儲容量和編程和讀取速度。