【求是缘技术沙龙】半导体存储器简介

   作者简介： 

陈精纬，十多年半导体行业经验，主要从事NOR Flash/Embedded Flash 等工艺器件产品研发，新产品导入及量产工作。工作经历主要在中芯国际、NXP、华力微电子等国内国际半导体大厂。有十余篇中国，美国，日本及韩国授权专利。目前主要在从事具有国内自主知识产权的存储芯片研发工作。

正文：

半导体存储器一般可分为易失性(Volatile Memory)和非易失性存储器(Non Volatile Memory)。易失性存储器是指数据信息只有在通电条件下才能保存，断电后数据会丢失，主要有静态随机存储器(SRAM: Static Random Access Memory) 和动态随机存储器DRAM(Dynamic Random Access Memory)。

一． 易失性存储器（SRAM和DRAM）

SRAM是由六个晶体管组成，分别是四个NMOS和两个PMOS。两个NMOS作传输门Pass Gate(PG), 两个NMOS 做下拉门Pull Down(PD), 两个PMOS做上拉门Pull Up(PU)。 

 图1 SRAM 电路图

在所有存储器中，SRAM读写速度最快，一般用作CPU和存储介质(如硬盘)之间的缓冲储存区(Cache)。 

DRAM 动态随机存储器是另一种常用的易失性存储器，DRAM主要是1T1C结构，通过晶体管开关对电容充放电达到读取数据的目的。

由于成本相对低廉，目前DRAM已经是电脑、手机等产品上常用的半导体存储元件。

 图2  DRAM 电路图

二． 非易失性存储器 (主要是Flash Memory)

在半导体器件中非易失存储器(Non-volatile memory, 简称 NVM)的应用十分广泛。它的特点是在断电后还能保存存储的数据。最早的非易失存储器是 EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)。它编程采用热电子注入，擦除用UV 紫外光。但这种器件需用石英玻璃进行UV 紫外光擦除，成本高昂。 

为了降低制造成本，发明了利用 FN 隧穿效应进行电学擦除的 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)。当电子注入并存储于浮栅中时代表信息“0”，当电子从浮栅中被擦除时代表信息“1”。EEPROM的成本比EPROM低，缺点是编程和擦除需 按字节(byte)进行，速度很慢。 

为了提高器件读取速度，在EEPROM的器件结构上改进了电路设计，使很多个存储单元 (cell)能同时进行编程和擦除的动作，这就是现在常用的快闪存储器(Flash EEPROM,简称flash 或闪存)。

从电路结构区分Flash Memory可以分为NOR 和 NAND两大类。NOR读取速度快，但是存储容量有限，一般用来存储代码等; NAND 读写速度慢，但是容量大，可以存储大量数据，一般固态硬盘SSD(Solid State Disk)就是采用 NAND型闪存作存储介质。 

图3  NOR 和NAND 型闪存

图4 经典ETOX 闪存结构示意图

最典型的闪存结构如图4 所示，使用ETOX（EEPROM with Tunnel OXide）结构,采用热电子注入（HCI：Hot Carrier Injection 或者 CHE：Channel Hot electron ）编程方式。

电荷存在浮栅(Floating Gate)里，电压加在控制栅（Control Gate）上， 编程时在漏极(Drain)上加电压，产生热电子，在栅极加电压，通过介电氧化层（ONO）耦合电压在FG上，产生电势，帮助电子克服势垒(Energy Barrier)通过隧穿氧化层(Tunnel Oxide) 注入进FG，完成编程（Program）。

由于热电子注入（HCI）的物理机理，产生的热电子是基于幸运电子模型（Lucky Electron ）注入，编程效率较低（一般在50% 左右）。由于效率较低，需要增加电压来提升编程效率，造成闪存器件功耗大。而且由于热电子效应本身存在本体穿通效应（Punch Through），当闪存栅长低于110纳米时候容易发生punch through, 限制了器件的进一步微缩。

为了解决这些缺陷，NXP发明了基于FN（Fowler – Nordheim）隧穿编程方式的2T 结构闪存，Hsu etal 等发明P型沟道闪存，它基于带间隧穿（BTBT：Band-to-Band）的编程方式。但这些器件由于主要采用量子隧穿的物理方式，存在编程读取电流较小的缺点，同时这些编程方式对于隧穿氧化层（Tunnel Oxide）损伤较大，对于闪存器件的可靠性也是很大的挑战。 

图5 采用热载流子(CHE)注入编程示意图

三． 新型非易失闪存

由于传统闪存在不断微缩后遇到物理极限，近年来有不少公司和机构开展新型非易失存储器的研究，主要引入新材料和新介质，比如磁存储器(MRAM), 相变存储器(PCRAM: Phase Change Random Access Memory), 铁电存储器(FeRAM)， 阻变存储器(RRAM)等，目前已经有些存储器在商业化应用中，对于传统Flash Memory也是个有益的补充。

总结

半导体存储器在日常生活，工业生产及国防军工等领域无处不在，是一种必不可少的半导体芯片。但之前这方面领域一直被国外大厂（三星/美光/海力士）所把持，国内之前也偏重于SOC逻辑芯片，对存储这方面重视不够。

随着2018年开始的中美科技贸易战，国内开始重视并加大了国产芯片替代，也大力扶持了长江存储、合肥长鑫等一批国产存储芯片龙头企业，在高端存储芯片领域拉近了和国外大厂的距离。

随着现在AI人工智能浪潮的涌现，后续对于“存算一体”需求加大，存储芯片领域必将有持续的发展，期待国产存储产业能早日突破，在各个领域实现中国芯。

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