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快閃記憶體

快閃記憶體. 班級 : 光電二甲 組員 :4A0L0078 陳俊諺 4A0L0138 劉建呈 4A0L0145 吳宏仁 指導老師 : 葉義生. 目錄. Flash Memory 介紹 Flash Memory 原理 SONOS Flash Memory 什ㄇ是熱電子 快閃記憶體的寫入 福勒 – 諾得漢的穿隧抹除 快閃記憶體的讀取 NOR Flash 與 NAND Flash 的比較 Flash 製程 快閃記憶體的應用. Flash Memory 介紹. 1984 年於東芝公司工作時發明的舛岡富士雄博士

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快閃記憶體

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Presentation Transcript

  1. 快閃記憶體 班級:光電二甲組員:4A0L0078 陳俊諺4A0L0138 劉建呈 4A0L0145 吳宏仁 指導老師:葉義生

  2. 目錄 • Flash Memory介紹 • Flash Memory原理 • SONOS Flash Memory • 什ㄇ是熱電子 • 快閃記憶體的寫入 • 福勒–諾得漢的穿隧抹除 • 快閃記憶體的讀取 • NOR Flash 與 NAND Flash的比較 • Flash 製程 • 快閃記憶體的應用

  3. Flash Memory 介紹 • 1984年於東芝公司工作時發明的舛岡富士雄博士 • 是一種不揮發性 (Non-Volatile) 記憶體 • 快閃記憶體有2種不同的矽材料結構，一是矽氧化氮氧化矽（SONOS）結構，一為目前主流的浮動閘極（Floating Gate）結構。

  4. Flash Memory原理 上層多晶矽是控制閘，用來連接操作電壓，控制記憶體的電流導通。 下層多晶矽是浮動閘極， 置於穿隧氧化層ONO(oxide-nitride-oxide)結構的阻擋層。 ONO 阻擋層是用來減少電荷從控制閘極的流失

  5. SONOS Flash Memory SONOS 主要的結構為擔任電壓控制角色的複晶矽控制閘(S)、負責電荷屏障的阻障氧化層(O)、作為電荷捕陷的氮化矽電荷捕捉層(N)、負責電荷進出及保存的穿隧氧化層(O)及矽基底(S)等五大部分，所以簡稱 SONOS。

  6. 什ㄇ是熱電子 • 要達成這機制，元件需要被偏壓在飽和區，以N通道而言，汲極和閘極分別偏壓在一個正的電壓，源極和基極皆為接地。此時會在基極形成由電子組成的反轉層通道，通道中的電子被從源極到汲極的高橫向電場加速而獲得能量，稱為熱電子。

  7. N通道快閃記憶體的寫入 靠近汲極的一端，水平電場的最大值會發生在截止點旁的空乏區，熱電子會和矽晶格在此處進行一連串的碰撞游離(impact ionization)而產生大量的電子－電洞對，這些電子－電洞對又再次被電場加速並進行他次的碰撞。大部分的電子會被汲極的正偏壓所吸引，少部份獲得較高能量的熱電子克服矽與氧化矽間的位能障穿越穿隧氧化層而成功注入到氮化矽層中。

  8. P通道快閃記憶體的寫入 在基極形成由電洞組成的反轉層通道，通道中的電洞被從源極到汲極的高橫向電場加速而獲得能量，稱為熱電洞。在靠近汲極的一端，熱電洞和矽晶格會在截止點旁的空乏區進行一連串的碰撞游離而產生大量的電子－電洞對，這些電子－電洞對又再次被電場加速並進行二次的碰撞。少部份獲得較高能量的熱電子克服矽與氧化矽間的位能障穿越穿隧氧化層而成功注入到氮化矽層中。

  9. 福勒–諾得漢(Fowler-Nordheim,FN)的穿隧抹除 由於氮化矽的補陷電荷特性，對於抹除氮化矽中的電荷，不管是N通道或P 通道SONOS 記憶體元件，皆希望能將儲存的電荷完全抹除，因此使用FN 穿隧機制來達成。為了要有效拉出電子，我們使用高電壓操作來形成一個高垂直電場(>10MV/cm)。在高電壓橫跨於氧化層兩端的情況下，氧化層具有三角形的位能障分佈。當位能障被壓縮到足夠窄時，在氮化矽層中的電子便能穿越三角形的位能障而被拉出到基極。

  10. 快閃記憶體的讀取 要順向讀取位元1，閘極和汲極分別接一個讀取偏壓，源極和基極分別接地。順向讀取位元2也是依照同樣的概念但是源極和汲極的連接電壓是互相交換的。在順向讀取位元1時，亦即讀取靠近汲極端的補陷區域，如果氮化矽層沒有補陷電子，則如同一般電晶體一樣會在穿隧氧化層下方形成一層反轉層通道；但是如果氮化矽層有補陷電子，我們要利用汲極引發能帶降低效應(Drain Induced Barrier Lowering，DIBL)來做進一步說明。

  11. 順向讀取電流的操作機制 如果氮化矽中存有電子，則在補陷電荷區域的下方會提升其局部的臨限電壓而無法形成通道導通。但是如果汲極電壓夠大時(VDS＞1.3V)，DIBL效應開始產生作用降低了補陷電荷區域下方的臨限電壓，通道中的電子因而可以跨越這區域的障礙而導通。所以受DIBL效應影響的區域，氮化矽中補陷的電子對元件的影響是可以忽略的。換句話說，使用順向讀取NROM記憶體，被寫入的位元不會影響另一位元的操作。

  12. 反向讀取電流的操作機制 如果位元1存有電子，如圖所示，則因為DIBL效應無法對位元1的位置產生作用，在補陷區域的下方仍然存在局部較高的臨限電壓，電子無法跨越這區域的障礙導致元件沒有電流通過。因此存在氮化矽中的電荷會影響反向讀取的結果。反向讀取操作比順向讀取操作較容易受氮化矽層中的電荷影響而改變讀出的電流值。

  13. SONOS非主流原因 雖然SONOS 快閃記憶體既有的優勢比傳統浮動閘極快閃記憶體要來的多，但是目前市面上及產業界仍以浮動閘極快閃記憶體為主流市場，原因是SONOS 目前仍有一些現存的問題，如寫入及抹除的速度較慢、多次操作造成穿隧氧化層的退化，以及漏電流造成資料保存的時間短少等，這些因素都影響其元件的可靠度。

  14. NOR Flash 與 NAND Flash的比較 • NOR 具有 XIP 的特性但 NAND 沒有。 • NOR 的讀速度比 NAND 稍快一些。 • NAND 的寫入速度比 NOR 快很多。 • NAND 的抹除單位較小但抹除速度遠比快。

  15. Flash 製程 • 從製程方式的不同來說，Flash 又分為 SLC、MLC和TLC 三種。 • SLC英文全稱(Single Level Cell—SLC)即單層式儲存 • MLC英文全稱(Multi Level Cell——MLC)即多層式儲存 • 單級儲存具有速度快，耗電量低的優點且浮置閘極與源極之中的氧化薄膜更薄

  16. SLC、MLC和TLC的寫入次數及速度比較差異

  17. 非常適合存儲圖像和音樂檔快速資料傳輸率低成本豐富的帶有SD或HS-MMC介面的快閃記憶體設備非常適合存儲圖像和音樂檔快速資料傳輸率低成本豐富的帶有SD或HS-MMC介面的快閃記憶體設備 快閃記憶體的應用

  18. 參考 • http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%97%AA%E5%AD%98(維基百科) • http://nthur.lib.nthu.edu.tw/dspace/handle/987654321/27498(清華大學圖書) • http://jccit.ccit.ndu.edu.tw/ezfiles/7/1007/img/69/P163.pdf

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