目錄

1.Flash基本原理概述

1.1 Non-volatile Memory的分類

1.2 Flash編程\擦除原理

1.3 NOR\NAND Flash

2.eFlash在先進制程中的挑戰(zhàn)

3.小結(jié)

1. Flash基本原理概述

1.1 Non-volatile Memory的分類

Flash在嵌入式領(lǐng)域是非常重要的角色，主要用于存儲數(shù)據(jù)代碼，為代碼的執(zhí)行提供基礎(chǔ)保證等。實際上，F(xiàn)lash只是Non-volatile Memory中的一個分支，根據(jù)《Embedded Flash Memory for Embedded Systems》整理，嵌入式領(lǐng)域的非易失性存儲器分為ROM、EEPROM、Flash等，如下圖所示：

• Mask ROM是在芯片掩膜階段寫入數(shù)據(jù)或者代碼，對于MCU來說最常見就是啟動代碼，例如英飛凌的BootRom，一旦寫入，用戶就無法進行修改；
  
  
• OTP類似Mask ROM，可以由用戶寫入敏感數(shù)據(jù)等，例如密鑰、設(shè)備獨有信息等；
  
  
• EPROM(Electrically Programmable ROM)：按字節(jié)編程，但不能擦除；
  
  
• EEPROM(Electrically Erasable and Programmable ROM)：按字節(jié)擦寫，成本較高；
  
  
• Flash則是軟件開發(fā)人員最常接觸到的存儲器之一，它根據(jù)存儲單元的結(jié)構(gòu)分為浮柵型、電子捕獲型等。

1.2 Flash編程\擦除原理

以浮柵型Flash為例，它基本存儲單位為bit，其存儲物理結(jié)構(gòu)叫做cell，這個Cell其實就是一個帶浮柵的MOSFET，如下所示：

可以看到，浮柵晶體管在控制柵極(CG)下的絕緣層(Gate Oxide)新增了一層浮柵極(FG)，用于保存電子。

一般情況下，源極和漏極里有電子，但是因為它們之間有缺電子的P型材料，因此沒法流通。如果此時我們給CG和漏極施加正電壓，源極接地，如下圖：

電子就會迅速從源極流向漏極，同時由于CG電壓更大，一部分電子通過隧穿效應(yīng)(Quantum Tunneling Effect)通過隧道氧化層進入到FG，如下圖：

這種情況下即使正電壓被移除，電子也會因為隧道氧化層的絕緣作用保存在FG里，這種狀態(tài)我們說晶體管存儲了一個0，表示被編程了。

當我們想要擦除的時候，則在CG施加反向電壓，如下：

在這種狀態(tài)下，電子會被排斥并通過隧道氧化層回到P-Well中，這種狀態(tài)對應(yīng)“1”，即擦除狀態(tài)。

這里我們提高了隧穿效應(yīng)，所謂量子隧穿效應(yīng)，即很多粒子沖向勢壘，一部分粒子反彈，還會有一些粒子能通過一個隧道穿過勢壘，如下圖，這個隧道稱作“量子隧道（quantum tunneling）”。

實際上，針對浮柵型Cell的Flash來說，編程常用CHE、FN、SSI等三種方式進行操作，如下圖：

• CHE：通過對CG和源施加高的電壓，電子在源側(cè)經(jīng)過水平高電場加速，通過垂直高電場注入到FG，這種情況編程電流相對大；
  
  
• FN：隧穿效應(yīng)，如上所示；
  
  
• SSI：該方式需要在源極施加高電壓，CF和漏極電壓較低，從而容易在FG和CG之間的間隙區(qū)域誘導(dǎo)出更高的電場。由于水平電場和垂直電場在間隙區(qū)都具有最大的場強，因此在間隙區(qū)可以高效率地產(chǎn)生熱電子并注入到FG中。

1.3 NOR\NAND Flash

在了解了Flash Cell的基本原理后，我們來看看目前市面上常見的存儲器類型。按照架構(gòu)分為兩類：NOR(或非) Flash和NAND(與非) Flash，具體如下。

我們把1.2節(jié)里的CG、Drain和Source分別對應(yīng)WL(Worl Line)、BL(Bit Line)和SL(Source Line)，可以明顯發(fā)現(xiàn)NOR Flash中每個Cell均為并行連接，只要有一個WL拉高，對應(yīng)的BL就會拉低，因此叫做NOR；

NAND Flash則把所有Cell串聯(lián)起來，必須所有的WL 拉高，BL才會拉低，因此叫做NAND。

通常根據(jù)廠家不同，WL下掛的所有Cell組成一個Page，多個WL組成一個logic Block(也叫l(wèi)ogic sector)，多個logic sector組成一個物理Block（也叫Bank）。如下：

可以看到，在Flash讀的效率上，由于NOR Flash的并行連接，因此具備更好的隨機訪問能力（可以快速讀某個bit），而NAND Flash的訪問必須要先讀取Page，效率較低。

在擦寫操作上，NOR Flash擦除只能在塊的基礎(chǔ)上執(zhí)行，而寫過程可以每次在單個字節(jié)或單字上執(zhí)行，而NAND Flash要求在寫入新數(shù)據(jù)之前先以塊的形式擦除數(shù)據(jù)。

因此，我們可以發(fā)現(xiàn)NOR Flash和NAND Flash經(jīng)常應(yīng)用在不同場景：

• NOR Flash：MCU代碼存儲和執(zhí)行，需要高速隨機訪問能力；
  
  
• NAND Flash：適合大容量存儲，代碼需要拷貝至RAM運行。

事實上，我們上述僅僅討論的是浮柵型技術(shù)路線。AMD、東芝、三星一直致力于電荷捕獲型(Charge Trap)技術(shù)路線。這里沒有具體研究，就不談了。

2. eFlash在先進制程中的挑戰(zhàn)

車規(guī)MCU的eFlash由于需要存放和執(zhí)行代碼，因此通常均為NOR Flash架構(gòu)；

隨著車規(guī)MCU的性能要求越來越高，大廠開始嘗試使用先進制程，但在推進的過程中，可以很容易定位到Flash的穩(wěn)定性與工藝之間有一個比較大的矛盾。

我們知道，NOR Flash是由WL和BL交織組成，每個交織點表示一個Cell存放電子。如下：

存放電子的實體是浮柵，它與P-Well之間的隧道氧化層是保證電子不出現(xiàn)逃逸的重要組成，一旦制程變小，該絕緣層相應(yīng)就會變得更小，這就更容易出現(xiàn)電子逃逸的情況，這是eFlash往先進制程邁進的桎梏之一；

其次，隨著制程的縮小，cell之間的距離也越來越近，兩個相近的絕緣體之間構(gòu)成電容，所以一個存儲單元Cell會與周邊Cell形成耦合電容，這就會影響其他Cell的電荷大小，會導(dǎo)致存儲單元“寫不準”、“讀不準”，因為我們不知道一個存儲單元的Vt中，究竟有多少成分是隸屬于周邊浮柵的耦合效應(yīng)，又有多少是存儲單元真實的Vt，這樣也就更容易出現(xiàn)Flash位翻轉(zhuǎn)問題。

最后回到制程縮小導(dǎo)致的浮柵尺寸縮小，那自然保持電荷的能力也會進一步下降；

此外如何考慮功耗、散熱以及最重要的成本問題，目前也沒有看到比較成熟的eFlash先進制程解決方案。

3. 小結(jié)

本文主要分析了Flash的分類，利用易于理解的隧穿效應(yīng)來解釋了Flash的基本原理。

事實上，隨著eFlash逐漸逼近物理極限，我們可以看到各大MCU廠商正在尋找其他的存儲解決方案，例如PCM(Phase-Change Memory)：相變存儲器、STT-MRAM(Spin-Transfer Torque )：嵌入式自旋轉(zhuǎn)移矩磁阻RAM、RRAM(Resistive RAM)：電阻隨機存儲器。

而eFlash是否會退出歷史舞臺？我們拭目以待！