走進閃存技術

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年代問世的。像EEPROM存儲器一樣，閃存支持電擦除數(shù)據(jù)；保存新數(shù)據(jù)閃存無需擦除整個存儲陣列。像EPROM存儲器一樣，閃存陣列的架構(gòu)是每單元一個晶體管結(jié)構(gòu)，使芯片廠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機市場的飛速增長。在PC時代剛剛開始時，易失性存儲器DRAM (動態(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(shù)據(jù)易失性的缺點，但仍然是兩個最重要的存儲器。隨著設計和工藝技術的進步提高了閃存技術的密度和可用性，作為對現(xiàn)有的SRAM和DRAM子系統(tǒng)的一種補充，閃存斷電保留數(shù)據(jù)和高速度讀取的性能加快了其在市場上的推廣應用。

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

技術說明:

閃存、EPROM和EEPROM器件保存數(shù)據(jù)都使用相同的基本浮柵機制，但是讀寫數(shù)據(jù)時卻采用不同的方法。無論是哪一種情況，基本存儲單元都是由一個雙柵MOS晶體管(MOSFET)組成：控制柵連接讀寫電路，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)過的通道)之間。

在一個標準MOSFET內(nèi)，控制溝道的電阻只使用一個柵極控制電流：通過在柵極上施加電壓，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還有第二個柵極，一個二氧化硅絕緣層將這個柵極完全包圍起來，即第二個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。通過給控制柵施加適當?shù)男盘枺y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在MOSFET的源漏極之間產(chǎn)生較大的電流，使MOSFET溝道充滿大量的高能電子。在這些?熱?電子中，有些電子的能量十分高，足以跨過溝道之間的勢壘進入浮柵。當源漏極之間的大電流消失時，這些電子仍然陷在浮柵內(nèi)。這就是給EPROM和閃存的存儲單元編程所采用的方法。這種技術叫做溝道熱電子(CHE)注射，通過這種技術，可以給浮柵加載電荷，但是不能釋放電荷。EPROM是采用給整個存儲陣列覆蓋紫外線的方法給浮柵放電，高能量紫外線穿透芯片結(jié)構(gòu)，把能量傳給被捕獲的電子，使他們能夠從浮柵內(nèi)逃逸出來。這是一種簡單而有效的擦除方法，同時證明過擦除，即在浮柵放電結(jié)束后繼續(xù)給芯片通紫外線，不會損壞芯片。

第二種將電荷移入浮柵內(nèi)的方法是利用叫做隧穿的量子力學效應：通過在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入源極的電壓，從浮柵中取出電子。在一定時間內(nèi)隧穿氧化硅絕緣層的電子數(shù)量取決于氧化層的厚度和所通電壓的大小。為滿足實際電壓值和擦除時間的限制條件，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，根據(jù)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像EPROM一樣編程、像EEPROM一樣擦除的存儲器，不過，閃存技術并不是把EEPROM擦除機制移植到EPROM上那么簡單。

隔離浮柵與源極的氧化層的厚度是EPROM與其它兩個工藝之間最大的差別。在一個EPROM內(nèi)，絕緣層厚度通常為 20-25nm，但是這個絕緣層太厚了，利用一個實際電壓，以可接受的速率，是無法隧穿這個絕緣層的。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商掌握閃存技術原因之一，能夠整合閃存技術與主流的CMOS工藝，制造內(nèi)置閃存的微控制器的產(chǎn)品的廠商就更少了。

多位單元技術

傳統(tǒng)上，浮柵機制用于存儲一個單一的數(shù)據(jù)位，這種數(shù)據(jù)需通過對比MOSFET閾壓和參考電壓來讀取。但是，有了更加先進的讀寫技術，可以區(qū)分兩個以上的浮柵電荷狀態(tài)，因此可以在一個浮柵上存儲兩個以上的數(shù)據(jù)位。這是一個重大的技術突破，對于給定的單元尺寸，每個單元存儲兩個數(shù)據(jù)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(gòu)的閃存芯片廠商之一。

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，在整個存儲陣列內(nèi)，有多種方法將存儲單元連接在一起。NOR和NAND是其中兩個最重要的架構(gòu)，這兩個術語來自傳統(tǒng)的組合邏輯電路，指示了存儲陣列的拓撲，以及讀寫每個單元的存取方式。最初，這兩個在原理上存在差別的架構(gòu)之間有一個基本區(qū)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（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架構(gòu)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(jù)應用需求考慮以下的參數(shù)，包括伴隨RAM的存儲容量和編程和讀取速度。