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***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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半导体存储器简介
新型晶圆成像技术可节省数百万英镑
如何弥补现有MRAM的不足之处
频谱分析仪和EMI测试接收机之间有什么区别呢
如何制作一个太阳能供电并带有机械磨刀器的刀座
英特尔新的 Loihi 神经形态芯片模仿活体大脑
流程图设计器简介
全志D1程序烧录失败引发的向量指令的学习
红外热像仪充电故障维修案例
DC/DC稳压器元件的传导损耗计算
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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
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随着2018年开始的中美科技贸易战，国内开始重视并加大了***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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