技术复盘:Flash Memory揭秘(1)

news2024/12/28 17:53:33

1.Flash基本原理概述

1.1 Non-volatile Memory的分类

1.2 Flash编程\擦除原理

2.小结

1.Flash基本原理概述

1.1 Non-volatile Memory的分类

Flash在嵌入式领域是非常重要的角色，主要用于存储数据代码，为代码的执行提供基础保证等。

实际上，Flash只是Non-volatile Memory中的一个分支，根据《Embedded Flash Memory for Embedded Systems》整理，嵌入式领域的非易失性存储器分为ROM、EEPROM、Flash等，如下图所示：

Mask ROM是在芯片掩膜阶段写入数据或者代码，对于MCU来说最常见就是启动代码，例如英飞凌的BootRom，一旦写入，用户就无法进行修改；
OTP类似Mask ROM，可以由用户写入敏感数据等，例如密钥、设备独有信息等；
EPROM(Electrically Programmable ROM)：按字节编程，但不能擦除；
EEPROM(Electrically Erasable and Programmable ROM)：按字节擦写，成本较高；
Flash则是软件开发人员最常接触到的存储器之一，它由根据存储单元的结构分为浮栅型、电子捕获型等。

1.2 Flash编程\擦除原理

以浮栅型Flash为例，它基本存储单位为bit，其存储物理结构叫做cell，这个Cell其实就是一个带浮栅的MOSFET，如下所示：

可以看到，浮栅晶体管在控制栅极(CG)下的绝缘层(Gate Oxide)新增了一层浮栅极(FG)，用于保存电子。

一般情况下，源极和漏极里有电子，但是因为它们之间有缺电子的P型材料，它们之间没法流通。如果此时我们给CG和漏极施加正电压，源极接地，如下图：

电子就会迅速从源极流向漏极，同时由于CG电压更大，一部分电子通过隧穿效应(Quantum Tunneling Effect)通过隧道氧化层进入到FG，如下图：

这种情况下即使正电压被移除，电子也会因为隧道氧化层的绝缘作用保存在FG里，这种状态我们说晶体管存储了一个0，表示被编程了。

当我们想要擦除的时候，则在CG施加反向电压，如下：

在这种状态下，电子会被排斥并通过隧道氧化层回到P-Well中，这种状态对应“1”，即擦除状态。

这里我们提高了隧穿效应，所谓量子隧穿效应，即很多粒子冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能通过一个隧道穿过势垒，如下图，这个隧道称作“量子隧道（quantum tunneling）”。

实际上，针对浮栅型Cell的Flash来说，编程常用CHE、FN、SSI等三种方式进行操作，如下图：

CHE：通过对CG和源施加高的电压，电子在源侧经过水平高电场加速，通过垂直高电场注入到FG，这种情况编程电流相对大；
FN：隧穿效应，如上所示；
SSI：该方式需要在源极施加高电压，CF和漏极电压较低，从而容易在FG和CG之间的间隙区域诱导出更高的电场。由于水平电场和垂直电场在间隙区都具有最大的场强，因此在间隙区可以高效率地产生热电子并注入到FG中。