⚠ 11.2023: Сайт знаходиться в стані перебудови. Можливо тимчасове порушення функціонування.

В надрах мікросхем. Flash та StaraFlash. Базовий принцип роботи

Автор статті: Сергій КРУШНЕВИЧ


І на останок познайомимось з кремнієвою технологією зберігання інформаці, тобто як можна багато разів записати інформації у шматку напівпровідника, де вона може зберігатись без зовнішнього живлення десятками і сотнями років.

Flash SLC

Для того щоб зрозуміти роботу FLASH пам'яті розглянемо, як влаштована елементарна коміра пам'яті, що базується на польовому транзисторі [В надрах мікросхем. ч.3]. Цей транзистор відрізняється від звичайного наявністю електрично ізольованого шару полікремнію під затвором. Нагадаю, що "полікремний" або "полікристалічний кремній" - це речовина схожа за властивостями на звичайний монокристалічний ("моно" - один) кремній, але, як випливає з назви, не має строго визначеної кристалічної решітки. У мікроелектронній промисловості полікремній отримують вирощуванням кремнію на полікристалічній поверхні, в нашому випадку - це оксид кремнію (SiO2), що знаходиться на поверхні підложки.

Будова елементарної комірки FLASH-пам'яті на базі польового транзистора з ізолованою коміркою під затвором

Для того, щоб занести потрібні дані в комірку, потрібно прикласти між стоком та витоком польового транзистора певний потенціал. При цьому електрони отримують значну енергію і деякі, таким чином, долають бар'єр шару оксиду кремнію і потрапляють у ізолований полікремній. Для подальшого переміщення у електронів не буде достатньої енергії і вони залишаються "замкненими" в полікристалічному шарі - "затворі, що плаває". Після зняття напруги потенціал "плаваючого затвора" залишається стабільним (незмінним) протягом тривалого періоду - десятки років. Так як у нашому світі немає нічого ідеального і оксид кремнію не ідеальний діелектрик, через нього протікає дуже незначний потік електронів і потенціал плаваючого затвора з часом зменшується. За проведеними тестами, найкращі зразки FLASH пам'яті здатні зберігати інформацію до п'ятдесяти – ста років, а іноді й більше. Тому зараз питанню "витік інформації" приділяють не дуже багато уваги.

Отже, інформацію записано, тепер її треба зчитати. Як ви пам'ятаєте польовий транзистор це перш за все "ключ", який відкривається при прикладані певного потенціалу - порогової напруги до затвора. Цей потенціал залежить від концентрації основних та неосновних носіїв у об'ємі каналу (у напівпровіднику під затвором), відстані від затвора до напівпровідника, потенціалу (заряду) діелектричної області під затвором. Так як перші два параметри залишаються постійними в кінцевій мікросхемі, то потенціал під затвором по технології FLASH може змінюватися, так як це ні що інше, як потенціал плаваючого затвора. Тепер залишається лише точно виміряти граничну напругу, яку необхідно прикласти для виникнення каналу (замикання ключа) і на основі отриманих даних зробити висновок, який біт інформації тут записаний: "0" – якщо заряд є (порогова напруга становить приблизно 5В або вище) або "1" – якщо його немає (якщо гранична напруга менше 3В).

Flash MLC

Як ви помітили, при зчитуванні інформації ми заміряли граничну напругу, а хто сказав, що вона має бути 3В чи 5В? Воно залежить від заряду плаваючого електрода, і якщо заряд суворо дозувати, то й порогову напругу можна точно задати. Звідси висновок: FLASH пам'ять є не цифровою (здатною зберігати в одному осередку пам'яті один біт – "0" або "1") а аналогова, здатна зберігати стільки різних потенціалів, скільки електронів буде поміщено в затвор.

На жаль, через наявність струмів витоку та недосконалості і складності схем зчитування, забезпечити надійий запис і зчитування, скажімо, 256 рівнів виявляється недосяжним, при поточному розвитку, тому обмежуються кількома рівнями запису, звідси і виникли назви щільності запису:

  • SLC (Single level cell) flash - один рівень напруги, наприклад "0В" чи "5В";
  • MLC (Multi level cell) flash - багато рівнів напруги, але під назвою "багато" приховувалось всього два рівні (наприклад: 0В / 2.5В / 5В), тобто 3 біти на комірку;
  • TLC (Triple level cell) flash - це ті ж 3 рівні, просто інший виробник;
  • QLC (Qudro level cell) flash - 4 рівні напруги і відповідно 4 біти на комірку;
  • Але зустрічались і аналогові варіації запису інформації з багатьма рівнями, де незначна зміна рівня не спотворювала інформацію - наприклад запис звуку в диктофонах.

    Intel StrataFlash

    Використовуючи ту властивість пам'яті, що вона аналогова, корпорація Intel, створила пам'ять, у якої в одній комірці може розміщуватися не один, а два біти інформації. У цій технології при зчитуванні інформації розрізняють чотири порогові напруги, наприклад 2В відповідає двом бітам встановленим в 11; 3В - 10; 4В - 01; 5В – 00.

    Вдосконалюючи технологічний процес з'являється можливість зменшити розкид порогової напруги для однакового стану всіх комірок, що дозволяє або знизити робочу напругу живлення або збільшити кількість біт, які зможуть бути записаними в одну комірку.


    Зміст

  • В надрах мікросхем. Як вирощують монокристалічний кремній та нарізають підложки. Частина 1.
  • В надрах мікросхем. Фотолітографія. Ізоляція. Дифузія. Окислення. Біполярна технологія. Частина 2.
  • В надрах мікросхем. Метал-оксид-напівпровідник (MOS, CMOS) та кремній на ізоляторі (COI) технології. Частина 3.
  • В надрах мікросхем. Об'єднання окремих елементів в закінчену схему - металізація. Тестування та монтаж в корпусі. Частина 4.
  • В надрах мікросхем. Підвищення ступеня інтеграції. Розтягнутий кремній Частина 5.
  • В надрах мікросхем. Підвищення ступеня інтеграції. Енергонезалежне зберігання інформації у навпівпровіднику - FLASH-пам'ять Частина 6.
  • Опубліковано:

    Оновленно: 21.11.2023


    (SKNewVersion)(29032024)
    Serhii K Home Page © 2003-2024