1、2022-7-2212022-7-221Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu第十章第十章 存储器设计存储器设计第一节第一节 简介简介第二节第二节 动态随机存储器动态随机存储器 DRAM第三节第三节 静态随机存储器静态随机存储器 SRAM第四节第四节 只读存储器只读存储器ROM第五节第五节 非易失存储器非易失存储器 NVM2022-7-2222022-7-222Department of Microelectronics,PKUDepartment o
2、f Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu第一节第一节 简介简介一、存储器的分类一、存储器的分类二、存储器的总体结构二、存储器的总体结构三、存储器的时序三、存储器的时序2022-7-2232022-7-223Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu一、存储器的分类一、存储器的分类2022-7-2242022-7-224Department of Microelectronics,PKUDepartment
3、of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu随机存取存储器随机存取存储器 RAMRandom Access Memory可以进行写入和读出的半导体存可以进行写入和读出的半导体存储器储器数据在断电后消失，具有挥发性数据在断电后消失，具有挥发性只读存储器只读存储器 ROMRead Only Memory专供读出用的存储器，一般不专供读出用的存储器，一般不具备写入，或只能特殊条件下具备写入，或只能特殊条件下写入。写入。数据在断电后仍保持，具有非数据在断电后仍保持，具有非挥发性。挥发性。L1CacheL2/L3CacheMain MemoryHard D
4、isk DriveCPU现代计算机系统的存储器体系结构现代计算机系统的存储器体系结构DRAML3，Main Memory SRAMCache(L1,L2)2022-7-2262022-7-226Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu存储器集成电路存储器集成电路可读写存储器可读写存储器 RWM非易失读非易失读写存储器写存储器 NVRWM只读存储器只读存储器 ROM随机存取随机存取非随机存取非随机存取 2022-7-2272022-7-227Departm
5、ent of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu二、存储器的总体结构二、存储器的总体结构2022-7-2282022-7-228Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu2022-7-2292022-7-229Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,
6、PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu三、存储器的时序三、存储器的时序RWM的时序的时序2022-7-22102022-7-2210Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu第二节第二节 DRAMDRAM的结构的结构ITIC DRAM的工作原理的工作原理ITIC DRAM的设计的设计DRAM的总体结构的总体结构DRAM的外围电路的外围电路2022-7-22112022-7-2211Department of Microelectronics,
7、PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan LiuDRAM的结构的结构2022-7-22122022-7-2212Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan LiuITIC DRAM的结构的结构存储电容的上极板存储电容的上极板poly接接VDD，保证硅，保证硅中形成反型层中形成反型层存储电容下极板上存储电容下极板上电位的不同决定了电位的不同决定了存储信息，存储信息，0，12022-7-22132
8、022-7-2213Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan LiuDRAM 动态随机存取存储器动态随机存取存储器 由于存储由于存储在电容中在电容中的电荷会的电荷会泄露，需泄露，需要刷新。要刷新。2022-7-22142022-7-2214Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan LiuITIC DRAM的工作原理的工作原理x存储
9、电容存储电容CsA（COXCj）写信息写信息（字线）（字线）WL为高，为高，M1导通，导通，BL（位线）对电容充放电，写（位线）对电容充放电，写1时有阈时有阈值损失值损失存信息：存信息：WL为低，为低，M1关断，信号存在关断，信号存在Cs上。由于上。由于pn结有泄漏，所存信息结有泄漏，所存信息不能长期稳定保存，一般要求保持时间内，所存高电平下降不小于不能长期稳定保存，一般要求保持时间内，所存高电平下降不小于20，否，否则刷新则刷新读信息：读信息：WL为高，为高，M1导通，所存电荷在导通，所存电荷在Cs和位线上再分配，读出信号微和位线上再分配，读出信号微弱，而且是弱，而且是破坏性破坏性的。的。I
10、TIC DRAM读信息时的电荷分配读信息时的电荷分配Cs存存“1”时时M1未开启时未开启时Cs上存的电荷为上存的电荷为Qs1 CsVs1BL被预充到被预充到VR，其上的电荷为，其上的电荷为QB1CBLVRM1导通后，导通后，Cs与与CBL间电荷再分配，但总电荷不变间电荷再分配，但总电荷不变结果结果BL上的电位为上的电位为VB111BLRssBBLsC VC VVCC同理，同理，Cs存存“0”时时BL上的电位上的电位VB000BLRssBBLsC VC VVCC1010sssBBBsBLC VVVVVCC读出电路必须分辩的电位差读出电路必须分辩的电位差对于大容量对于大容量DRAM，CBL远大于远
11、大于Cs，一般十几倍，因此，一般十几倍，因此DRAM的读出信号的读出信号 VB很微弱，需要使用灵敏放大器（很微弱，需要使用灵敏放大器（SA）问题：问题：1、电荷再分配破坏了、电荷再分配破坏了Cs原先存的信息原先存的信息 2、读出信号非常微弱、读出信号非常微弱 TV!BLVBL最后稳定在最后稳定在（VDD）SAPV！BL最后稳定在最后稳定在（GND）SANVBL0读读00为提高速度并不等一侧位线下降为为提高速度并不等一侧位线下降为低电平，而是只要位线间建立一定低电平，而是只要位线间建立一定的信号差就送读出放大器，放大输的信号差就送读出放大器，放大输出。出。需要灵敏放大器，不用再生需要灵敏放大器，
12、不用再生2022-7-22452022-7-2245Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan LiuSRAM写操作写操作写操作时，选中单元写操作时，选中单元WL为高，为高，M5，M6导通。位线导通。位线BL，!BL准准备好待写入的信号。写备好待写入的信号。写1，BL1VDD，写，写0，BL0。BL、!BL通过通过M6、M5对对Q、!Q强迫充放电，与单元内原先存储强迫充放电，与单元内原先存储的状态无关。的状态无关。写操作结束后，双稳单元将信息保存。写操作结束后，双
13、稳单元将信息保存。SRAM写写02022-7-22462022-7-2246Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan LiuSRAM 静态随机存取存储器工作原理静态随机存取存储器工作原理 不需要不需要刷新。刷新。2022-7-22472022-7-2247Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan LiuVDDGNDQQWLBLBL
14、M1M3M4M2M5M66T SRAM2022-7-22482022-7-2248Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu电流镜负载电流镜负载CMOS差分放大器差分放大器v1v2作用提高读出速度。放大微小的电压差。作用提高读出速度。放大微小的电压差。差分输入信号差分输入信号Vinv1v2，放大后产生的，放大后产生的差分输出电流为差分输出电流为 iouti1i2i1 i2IsVoutRLioutoutsLinVAI RV 是是M1，M2的的导电因子导电因子
15、要求：要求：M4，M5完全对称。完全对称。M1,M2完全对称完全对称为了在提高灵敏度的同时，又能抗干扰，有时采用二级放大为了在提高灵敏度的同时，又能抗干扰，有时采用二级放大2022-7-22492022-7-2249Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan LiuSRAM及其及其外围电路外围电路位线负载晶位线负载晶体管体管列选择列选择灵敏放大器灵敏放大器（列公用）（列公用）数据读写电路数据读写电路2022-7-22502022-7-2250Department
16、of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan LiuSRAM中的地址探测技术中的地址探测技术DELAYtdA0DELAYtdDELAYtdATD.A1AN-1VDDATD提高速度、节省功提高速度、节省功耗耗利用地址变化探测利用地址变化探测电路，一旦地址变电路，一旦地址变化，产生化，产生ATD信号，信号，并用并用ATD触发其它触发其它时钟及控制信号开时钟及控制信号开始读始读/写操作。使写操作。使SRAM工作于异步工作于异步模式，按需操作，模式，按需操作，不必受同步时钟的不必受同步时钟的控制
17、。控制。ATD为正脉冲时，为正脉冲时，SRAM开始工作开始工作2022-7-22512022-7-2251Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu结构与原理结构与原理第四节第四节 只读存储器（只读存储器（ROM)分为分为掩膜式掩膜式编程式编程式可擦写式可擦写式 掩膜和编程式掩膜和编程式ROM的结构的结构2022-7-22522022-7-2252Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microel
18、ectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan LiuNOR ROM选中的行选中的行Ri为高电平，为高电平，其余维持低其余维持低无无nMOS的存的存“1”有有nMOS的存的存“0”2022-7-22532022-7-2253Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan LiuROM的编程方式的编程方式离子注入掩膜版编程离子注入掩膜版编程 通过离子注入产生增强和耗尽型通过离子注入产生增强和耗尽型MOSFET，用这两种晶体管表示，用这两种晶体管表示所存
19、的信息。所存的信息。有源区掩膜版编程有源区掩膜版编程 通过有源区是否跨越多晶硅行线区分是否形成通过有源区是否跨越多晶硅行线区分是否形成MOSFET。引线孔掩膜版编程引线孔掩膜版编程 通过通过MOSFET的漏是否有接地的引线孔，来区分所存的信息。的漏是否有接地的引线孔，来区分所存的信息。2022-7-22542022-7-2254Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu2022-7-22552022-7-2255Department of Microele
20、ctronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu2022-7-22562022-7-2256Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan LiuROM及其外围电路及其外围电路2022-7-22572022-7-2257Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuX
21、iaoyan Liu第五节第五节 非易失存储器非易失存储器 NVM作为可编程、可擦除作为可编程、可擦除的的ROM，需要满足的，需要满足的基本条件：基本条件：编程时间短（编程时间短（Vtn0读操作时，读操作时，WL上的上的偏压偏压VR满足满足Vtn1VRVtn02022-7-22642022-7-2264Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan LiuFloating-Gate Tunnel Oxide(FLOTOX)擦写时擦写时WL接高电平，接高电平，BL接低电
22、平，其它字线接低电平，接低电平，其它字线接低电平，位线接高电平。位线接高电平。低低 高高高高高高高高2022-7-22652022-7-2265Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu闪存闪存结构与结构与EEPROM相同，是单管结构，编程和擦除是以模块形式进行相同，是单管结构，编程和擦除是以模块形式进行2022-7-22662022-7-2266Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microel
23、ectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan LiuFlash EEPROM 存储器存储器编程方式与编程方式与EPROM相相同，采用热同，采用热电子注入电子注入擦除方式采擦除方式采用用FN隧穿机隧穿机制制浮栅氧化层浮栅氧化层厚度约厚度约10nmT型单元型单元Flash EEPROM结构结构2022-7-22672022-7-2267Department of Microelectronics,PKUDepartment of Microelectronics,PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan LiuDINOR（分割位线的或非结构）（分割位线的或非结构）写（编程）将选中单元的阈值写（编程）将选中单元的阈值电压电压Vth设置为低，擦除操作把设置为低，擦除操作把所选扇区的单元管的阈值电压所选扇区的单元管的阈值电压Vth设置为高设置为高
