兩種EEPROM存儲(chǔ)器讀取電路特性比較研究

景 欣，陸 虹

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

兩種EEPROM存儲(chǔ)器讀取電路特性比較研究

景 欣，陸 虹

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

EEPROM存儲(chǔ)器是通過存儲(chǔ)單元介質(zhì)層中存儲(chǔ)電荷的數(shù)量來實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)的保存。讀取電路需要將存儲(chǔ)介質(zhì)中的電荷區(qū)別轉(zhuǎn)換成可識(shí)別的電流電壓形式進(jìn)行讀出。主要針對(duì)EEPROM這類存儲(chǔ)器的讀取電路中產(chǎn)生參考電流的不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。對(duì)采用基準(zhǔn)源產(chǎn)生參考電流和采用參考存儲(chǔ)單元產(chǎn)生參考電流的兩種結(jié)構(gòu)，結(jié)合對(duì)溫度、電源、工藝角的仿真和分析，推斷出兩種結(jié)構(gòu)在各種條件組合下對(duì)電路讀出性能、可靠性以及抗輻照效果的影響。比較得出帶參考存儲(chǔ)單元的讀出結(jié)構(gòu)，雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但可以有效中和環(huán)境對(duì)讀出特性的影響，保證整個(gè)存儲(chǔ)器可以在更廣泛的應(yīng)用下提供高可靠的讀取操作。

存儲(chǔ)器；讀取路徑；靈敏放大器；參考單元；基準(zhǔn)源；可靠性

1 引 言

存儲(chǔ)器是集成電路中的重要一類，廣泛應(yīng)用于信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)中。非易失存儲(chǔ)器以其掉電后信息保持的特點(diǎn)更是得到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的關(guān)注。在非易失存儲(chǔ)器操作中應(yīng)用最為頻繁的為讀操作，讀操作是否穩(wěn)定可靠直接影響到該存儲(chǔ)器件的常規(guī)應(yīng)用以及可靠性。隨著空間技術(shù)的發(fā)展，非易失存儲(chǔ)器更多應(yīng)用于人造衛(wèi)星、運(yùn)載火箭等航空航天領(lǐng)域，存儲(chǔ)器件在輻照環(huán)境下，通過總劑量輻射、劑量率效應(yīng)以及單粒子事件等，也可能引起芯片讀失效。

選取非易失存儲(chǔ)器類中EEPROM存儲(chǔ)器的讀通道設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。以EEPROM存儲(chǔ)器件的讀取原理為基礎(chǔ)，對(duì)兩種讀取通道的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較研究。

2 EEPROM存儲(chǔ)器讀取原理

EEPROM存儲(chǔ)器的基本原理是在一個(gè)MOSFET柵介質(zhì)中存儲(chǔ)電荷，通常分為兩個(gè)主要類型，一種是把電荷存儲(chǔ)在一個(gè)被介質(zhì)層完全包圍的導(dǎo)電或半導(dǎo)電層中，這類被稱為浮柵器件如圖1所示；另一種是把電荷存儲(chǔ)在一個(gè)適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)層分立的俘獲中心里，其閾值電壓由存儲(chǔ)在氮化硅上的電荷數(shù)量控制，因此稱為電荷俘獲器件，多為硅－氧化硅－氮化硅－氧化硅－硅（SONOS）存儲(chǔ)器［1］。論文主要針對(duì)浮柵存儲(chǔ)單元構(gòu)成的存儲(chǔ)器件進(jìn)行研究。

圖1 浮柵存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)

無論是由哪一類存儲(chǔ)單元實(shí)現(xiàn)的存儲(chǔ)器件，基本操作原理都相同。編程和擦除操作時(shí)通過向浮柵或ONO層中注入或拉出（俘獲）電子來改變浮柵或ONO層中的電荷數(shù)量，致使存儲(chǔ)單元的閾值電壓發(fā)生變化，從而區(qū)分出存儲(chǔ)邏輯“1”或邏輯“0”，圖2是存儲(chǔ)單元經(jīng)過編程、擦除后的閾值情況示意圖。在讀過程中，對(duì)存儲(chǔ)單元的字線進(jìn)行讀電壓偏置，使得擦除管導(dǎo)通，編程管截止，通過比較其流過的電流大小，判斷出存儲(chǔ)單元中的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖2 EEPROM存儲(chǔ)器工作原理示意圖

不同工藝線的存儲(chǔ)單元編程和擦除后的閾值會(huì)有區(qū)別，所以需要有專門的外圍電路產(chǎn)生并管理讀取時(shí)的控制柵電壓。在電源、溫度、工藝波動(dòng)、高劑量輻射以及存儲(chǔ)器的疲勞特性［2］等各種因素作用下，會(huì)造成讀取窗口漂移或變得更小。結(jié)構(gòu)合適的讀取電路可以更精確的讀出存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)信息，有效降低讀取錯(cuò)誤。

下面介紹兩種EEPROM存儲(chǔ)器的讀取電路。分析了兩種讀取結(jié)構(gòu)在受到外界干擾時(shí)，對(duì)讀取效果、可靠性及抗輻照性能的影響。

3 兩種讀取電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

存儲(chǔ)器讀取路徑中包括存儲(chǔ)陣列、靈敏放大器、基準(zhǔn)源、地址譯碼、ATD以及控制邏輯電路等。改善讀取效果的方法很多，本文主要從陣列和靈敏放大器方面進(jìn)行研究。靈敏放大器是連接存儲(chǔ)信息讀出的關(guān)鍵模塊，它決定了存儲(chǔ)器的性能和環(huán)境容限［3］。靈敏放大器主要分為交叉耦合正反饋型和差分比較型，EEPROM等快閃存儲(chǔ)器多采用差分比較型。本文介紹的讀取結(jié)構(gòu)中靈敏放大器采用的就是差分比較型中的電流鏡差分放大器，因?yàn)殡娏餍挽`敏放大器不需要檢測(cè)位線電流變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，而是直接檢測(cè)電流所以可以獲得更快的讀取速度［4］。

靈敏放大器主要包括三個(gè)部分：參考支路、陣列支路和比較放大器。下面給出的兩種讀取電路區(qū)別在于選用了不同的參考支路結(jié)構(gòu)。

3.1 以帶隙基準(zhǔn)作為參考支路的讀取電路結(jié)構(gòu)

圖3為設(shè)計(jì)中采用的電流鏡差分靈敏放大器結(jié)構(gòu)，由有源負(fù)載P1和P2構(gòu)成的電流鏡結(jié)構(gòu)。

圖3 電流鏡差分靈敏放大器電路結(jié)構(gòu)圖

左邊支路中存儲(chǔ)單元的操作支路，包括一個(gè)運(yùn)算放大器，通過接入基準(zhǔn)電壓Vref（1.3V），使讀操作啟動(dòng)時(shí)將BL電壓鉗位在1.3V。存儲(chǔ)單元的漏端（BL）電壓必須足夠小以防止產(chǎn)生應(yīng)力現(xiàn)象，同時(shí)又要大于一定值產(chǎn)生合適的電流保證讀取速度。該工藝提供的器件特性：擦除管閾值電壓約4.8V；編程管閾值電壓約－0.6V。根據(jù)讀操作要求，CL通過外圍電路接入1.8V電壓，WL通過外圍電路接入3.3V電壓，產(chǎn)生電流約18μA的Icell電流被鏡像到右邊參考支路中去。在Iref支路，由N1將帶隙基準(zhǔn)源提供的基準(zhǔn)電流鏡像過來作為參考電流，約6μA。Icell和Iref自動(dòng)做差比較，然后經(jīng)兩級(jí)反相器輸出數(shù)據(jù)。第一級(jí)反相器主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的采樣和整形，第二級(jí)用來增大驅(qū)動(dòng)能力。

3.2 以存儲(chǔ)單元作為參考支路的電路結(jié)構(gòu)

圖4為靈敏放大器參考支路，圖4中的Iref端與圖3中的Iref相連，為靈敏放大器提供參考電流，圖4結(jié)構(gòu)是利用額外一組存儲(chǔ)單元的讀電流，經(jīng)過比例鏡像，得到合適的參考電流，參考存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)需要在應(yīng)用前進(jìn)行寫入。其中左邊支路與圖3中偏置的操作電壓相同，八路BL線連接在一起，生成八倍的Icell電流。右邊支路電流鏡像設(shè)置為1/2、1/4、1/8、1/16的比例，經(jīng)過MNTN＜3：0＞、CTRL的控制，可以選擇合適的電流比例。目前設(shè)置的默認(rèn)比例為Iref＝5/16Icell，約6μA。參考管利用存儲(chǔ)單元實(shí)現(xiàn)，其MOS管的尺寸、電學(xué)特性和版圖特性與實(shí)際讀出支路相同，兩支路對(duì)稱，靈敏度高［5］。

圖4 以存儲(chǔ)單元作為參考支路的電路結(jié)構(gòu)圖

3.3 兩種參考支路的特點(diǎn)比較

參考電流是在存儲(chǔ)單元編程和擦除這兩種狀態(tài)下讀出電流的中間取值。參考電流的選擇依據(jù)，一是從速度的角度考慮，如果參考電流過大或過小，靈敏放大器在讀出信號(hào)變化時(shí)速度會(huì)比較慢；二是從可靠性角度考慮，存儲(chǔ)單元在經(jīng)過循環(huán)擦寫后閾值電壓將發(fā)生變化，導(dǎo)致讀出電流也隨之改變，選取的參考值可以提供足夠的可比空間，增強(qiáng)可靠性［6］。

對(duì)于介紹的兩種參考支路的實(shí)現(xiàn)方法，在常態(tài)情況，也就是電源電壓5V、工作溫度27℃以及所有器件工作在tt（典型值）的工藝角下，編程管讀出電流約為18μA，擦除管接近零，選擇的比較參考電流約6μA。

針對(duì)以下設(shè)計(jì)要求：①電源電壓范圍2.7V－5.5V；②工作溫度－55℃－125℃；③MOS管、存儲(chǔ)管、電阻等因素，會(huì)造成存儲(chǔ)單元各端的編程擦除和讀取的操作電壓產(chǎn)生一定范圍的波動(dòng)。編擦操作電壓的波動(dòng)直接影響存儲(chǔ)管編程或擦除后的電荷存儲(chǔ)效果，讀取電壓也會(huì)直接影響讀取電路的操作，這些操作都會(huì)使存儲(chǔ)單元在讀操作時(shí)產(chǎn)生不同的讀取電流，影響讀取效果。選取臨界電源電壓、溫度以及工藝角進(jìn)行64種組合，通過仿真取得編程管、擦除管及參考管的讀取電流數(shù)據(jù)［7］。

參考支路采用基準(zhǔn)源提供參考電流的讀取結(jié)構(gòu)，仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)見圖5，橫軸為64種組合，縱軸為讀取電流值，圖中給出編程管、擦除管和參考管讀取電流的曲線趨勢(shì)。從圖5中可見，擦除管電流相對(duì)穩(wěn)定，基本都接近于零，編程管各端偏置電壓受外界因素影響較大，出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)，而參考電流由于是帶隙基準(zhǔn)源提供，所以相對(duì)較穩(wěn)定。存儲(chǔ)單元的讀偏置電壓是由外圍模塊產(chǎn)生的，隨著溫度、電源和工藝角的變化而變化，導(dǎo)致讀出電流發(fā)生變化，而用來比較的參考電流不能按照同樣的趨勢(shì)隨之變化，導(dǎo)致出現(xiàn)了編程管電流小于參考電流的情況，限制了靈敏放大器的感應(yīng)窗口和感應(yīng)速度，也會(huì)導(dǎo)致讀出數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤。

圖5 基準(zhǔn)源作為參考支路的仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)曲線

參考支路由存儲(chǔ)單元構(gòu)成的讀取結(jié)構(gòu)，仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)見圖6。擦除管電流相對(duì)穩(wěn)定，幾乎接近于零，由于參考管同樣是由存儲(chǔ)單元編程管按比例構(gòu)成，在環(huán)境因素影響下，參考電流和編程管電流是同向變化的，所以可以一直保證參考電流介于擦除管電流和編程管電流之間，有效保證讀取的正確性。

圖6 存儲(chǔ)單元作為參考支路的仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)曲線

以上討論的是存儲(chǔ)器讀取結(jié)構(gòu)受到外圍設(shè)置、環(huán)境及工藝的影響，下面從可靠性角度考慮，疲勞特性是由于電子在高電場(chǎng)下越過阻擋層進(jìn)行擦寫，由于在氧化層中存在缺陷，電子會(huì)進(jìn)入缺陷構(gòu)成的陷阱中而很難出來，造成器件功能退化。具體表現(xiàn)是編程后的存儲(chǔ)單元閾值上升，擦除后的存儲(chǔ)單元閾值下降，讀電路就很難區(qū)分這兩種狀態(tài)了。改善的方式之一就是要選擇較好的讀基準(zhǔn)點(diǎn)。可以采用存儲(chǔ)單元作為參考支路的結(jié)構(gòu)，將參考單元部分進(jìn)行編程，部分進(jìn)行擦除，然后取合適的比例讀出。這樣可以有效跟隨存儲(chǔ)單元的閾值變化，即使循環(huán)擦寫后窗口變小，也可以相對(duì)有效的保證讀取穩(wěn)定。另外一種是數(shù)據(jù)保持特性。由于外界環(huán)境或者溫度原因，電子會(huì)獲得足夠的能量進(jìn)行躍遷，跳過氧化層的阻擋而流失，因此在設(shè)計(jì)上使用存儲(chǔ)單元本身作為讀基準(zhǔn)，單元電流同步下降，因此讀取基準(zhǔn)仍然會(huì)低于標(biāo)準(zhǔn)單元，可以正常讀出數(shù)據(jù)，只是速度受到了影響［8］。

同樣對(duì)于抗輻照效果來說，針對(duì)存儲(chǔ)單元特點(diǎn)，采用存儲(chǔ)單元作為存儲(chǔ)器系統(tǒng)靈敏放大器的參考支路，存儲(chǔ)單元閾值電壓漂移可以跟蹤陣列中存儲(chǔ)單元輻照影響下閾值電壓漂移的變化，更有效地提高靈敏放大器的可靠性。

4 結(jié)束語

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果及分析得出兩種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：

（1）以基準(zhǔn)源作為參考支路：其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，不用預(yù)先寫入基準(zhǔn)就可以正常工作。但是易受外圍設(shè)置及環(huán)境工藝影響，參考電流不易選取，影響存儲(chǔ)器的可靠性指標(biāo)。

（2）以存儲(chǔ)單元作為參考支路：增加參考單元寫入控制端口，測(cè)試前需要對(duì)參考存儲(chǔ)單元進(jìn)行寫入。對(duì)于任何工藝角和溫度都可以保證基準(zhǔn)電流與讀電流同時(shí)變化，有效保證讀取窗口，有效改善存儲(chǔ)器疲勞特性和數(shù)據(jù)保持特性的可靠性，對(duì)于抗輻照效果來說，帶參考單元的抗輻照效果更好。

［1］ Ashok K.Sharma.先進(jìn)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

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Li De.An Improved 512 bit EEPROM IP for RFID TAG IC［D］.Tianjin：Tianjin University，2011.

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Xu Fei.Design and Realization of Embedded EEPROM IP［D］.Beijing：Tsinghua University，2004.

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［7］ 何樂年，王憶.模擬集成電路設(shè)計(jì)與仿真［M］.北京：科學(xué)出版社，2008.

HE Le－nian，Wang Yi.Analog integrated circuit design and simulation［M］.Beijing：Science Press，2008.

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PAN Li－yang，Zhu Jun.FLASH memory technology and development［J］.Microelectronics，2002，32（1）：1－6.

Com parative Study on Characteristics of Two Kinds of Read Circuit in EEPROM Memory

Jing Xin，Lu Hong
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

The EEPROM memory data storage achieves distinction by the number of stored charge in the dielectric layer.The read circuit needs to readout identification by changing the charge difference in storagemedium into a current or voltage form.The reading circuit，with different structure of reference current in the EEPROM memory，is studied in this paper.According to two structures of the reference current，one generated by the reference source and the other by reference memory cell，the simulation and analysis for the temperature，the power supply and the process angle are combined to infer the effects on readout performance，reliability and anti－irradiation in a variety of conditions.The comparison shows that，even if the structure is complex，the readout structure with reference memory cell can effectively offset the environment effect on the readout characteristics so as to ensure the wholememory can provide high reliable read operation in a wide application.

Memory；Read path；Sense amplifier；Reference unit；Reference source；Reliability

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.06.006

TN47

B

1002－2279（2015）06－0022－04

景欣（1983－），女（滿族），遼寧省沈陽市人，工程師/碩士，主研方向：存儲(chǔ)器及模擬集成電路設(shè)計(jì)。

2015－03－31