先进半导体存储器——结构、设计与应用 (2010 年度畅销榜NO.7989 )

本书深入介绍了先进半导体存储器的技术与发展，论述全面，涵盖了近年来的新技术成果。书中讲解了静态随机存取存储器技术、高性能的动态随机存取存储器、专用DRAM的结构和设计，先进的不挥发存储器的设计和技术、嵌入式存储器的设计和应用，以及未来存储器的发展方向等。DRAM作为新一代半导体产品制造技术的推动者，除用于计算机领域之外，还用于汽车、航空、航天、电信以及无线工业等领域。近年来，新一代高容量、高性能的存储器结构得到了进一步发展，包括嵌入式存储器和不挥发快闪存储器在内的大容量存储设备得到了越来越广泛的应用。
本书适合作为大学微电子专业高年级本科生及研究生的教材，也可作为从事半导体制造与研究的工作人员的参考用书。

第1章 先进半导体存储器引论
1.1 半导体存储器综述
1.2 先进半导体存储器的发展
1.3 将来存储器的发展方向
参考文献
第2章 静态随机存取存储器技术
2.1 静态随机存取存储器的基本结构和单元结构
2.1.1 SRAM的性能和时序
2.1.2 SRAM的读写操作
2.2 选择SRAM时的考虑因素
2.3 高性能的SRAM
2.3.1 直接模式的SRAM
2.3.2 零总线转换 SRAM
2.3.3 四倍数据率（QDR）SRAM
2.3.4 双数据率（DDR）SRAM
2.3.5 无周转模式的RAM
2.4 先进的SRAM结构
2.5 低压SRAM
2.6 BiCMOS工艺的SRAM
2.7 SOI SRAM
2.8 特种SRAM
2.8.1 多端口型的RAM
2.8.2 先进先出（FIFO）型存储器
2.8.3 按内容编址存储器
参考文献
第3章 高性能的动态随机存取存储器
3.1 动态随机存取存储器技术和发展趋势
3.2 DRAM时序规范和操作
3.2.1 总的时序规范
3.2.2 存储器读操作
3.2.3 存储器写操作
3.2.4 读改写操作
3.2.5 DRAM刷新操作
3.3 扩充数据输出动态随机存取存储器(EDO DRAM)
3.3.1 EDO DRAM（例子）
3.4 增强式动态随机存取存储器（EDRAM）
3.5 同步的动态随机存取存储器/图像随机存取存储器结构
3.5.1 SDR SDRAM/SGRAM
3.5.2 DDR SDRAM/SGRAM特点
3.5.3 256 M位DRAM实例
3.6 增强式同步动态随机存取存储器（ESDRAM）
3.7 高速缓存动态随机存取存储器（CDRAM）
3.8 虚拟通道存储动态随机存取存储器（VCM DRAM ）
3.9 先进的DRAM工艺技术展望
3.9.1 存储器电容器单元的改进
3.9.2 64 Mb DRAM
3.9.3 256 Mb DRAM
3.10 千兆位DRAM等比例缩小问题和结构
3.11 多电平存储的动态随机存取存储器（MLDRAM）
3.12 绝缘体基外延硅动态随机存取存储器（SOI DRAM）
参考文献
第4章 专用DRAM结构与设计
4.1 视频RAM（VRAM）
4.2 同步显存（SGRAM）
4.2.1 64 M位的DDR SGRAM
4.2.2 256兆位的DDR快速周期RAM（FCRAM）
4.3 Rambus技术概述
4.3.1 直接RDRAM技术
4.3.2 以直接Rambus存储系统为基础的设计
4.4 同步链接DRAM（SLDRAM）
4.4.1 SLDRAM 标准
4.4.2 SLDRAM结构和功能总述
4.4.3 SLDRAM（举例）
4.5 3-D RAM
4.5.1 像素ALU操作
4.6 存储系统设计思路
参考文献
第5章 先进的不挥发存储器设计与技术
5.1 不挥发存储器进展
5.1.1 介绍
5.1.2 串行EEPROM
5.1.3 快闪存储器的发展
5.2 浮栅单元工作原理和操作
5.2.1 浮栅单元工作原理
5.2.2 电荷输运机制
5.3 不挥发存储器单元和阵列设计
5.3.1 UV-EPROM（或EPROM）单元
5.3.2 EEPROM单元
5.3.3 快闪存储器单元
5.3.4 快闪存储器单元的基本操作和工艺
5.3.5 快闪EEPROM技术的发展
5.4 快闪存储器体系结构
5.4.1 NOR快闪存储器
5.4.2 NAND快闪存储器
5.4.3 DINOR体系结构的快闪存储器
5.4.4 AND体系结构的快闪存储器
5.4.5 特种快闪存储器
5.5 多电平不挥发存储器
5.5.1 多电平NOR快闪存储器
5.5.2 多电平NAND快闪存储器
5.5.3 多电平AND快闪存储器
5.6 快闪存储器的可靠性问题
5.6.1 EPROM/EEPROM中一般的失效机制
5.6.2 快闪存储器的可靠性
5.7 铁电存储器
5.7.1 技术回顾
5.7.2 铁电材料和存储器设计
5.7.3 兆位级的FRAM
5.7.4 链式FRAM（Chain FRAM，CFRAM）
5.7.5 金属铁电半导体场效应晶体管
5.7.6 FRAM的可靠性问题
参考文献
第6章 嵌入式存储器的设计与应用
6.1 嵌入式存储器的发展
6.2 高速缓冲存储器的设计
6.2.1 DSP中高速缓存体系结构的实现（举例）
6.3 嵌入式SRAM和DRAM的设计
6.3.1 嵌入式SRAM宏单元
6.3.2 嵌入式DRAM宏单元
6.4 合并处理器的DRAM体系结构
6.5 采用嵌入式逻辑体系结构的DRAM工艺
6.5.1 嵌入DRAM核的模块
6.5.2 采用嵌入式DRAM的多媒体加速器
6.5.3 智能RAM（IRAM）
6.5.4 计算RAM
6.6 嵌入式EEPROM和flash存储器
6.7 存储器卡及其多媒体应用
6.7.1 存储器卡
6.7.2 单片flash盘
参考文献
第7章 未来的存储器方向：兆字节到兆兆字节
7.1 将来的存储器发展
7.2 磁阻随机存取存储器（MRAM）
7.2.1 MRAM技术发展和权衡
7.2.2 MRAM 单元和结构
7.2.3 256 K/1 Mb GMRAM
7.2.4 多值MRAM
7.3 谐振隧道二极管为基的存储器
7.3.1 谐振隧道二极管理论
7.3.2 隧道SRAM(TSRAM)单元设计
7.3.3 RTD为基的存储器系统（例子）
7.4 单电子存储器
7.4.1 单电子器件理论
7.4.2 单电子存储器特性和结构
7.4.3 单电子器件制造技术
7.4.4 纳米晶体存储器器件
7.5 相变非易失性存储器
7.6 质子非易失性存储器
7.7 其他存储器技术的发展（例子）
7.7.1 晶闸管为基的SRAM（T-RAM）
7.7.2 按内容编址只读存储器（CAROM）
7.7.3 纳米存储器
7.7.4 固态全息存储器
参考文献

以金属-氧化物-半导体（MOS）技术为基础，从20世纪60年代开始生产的半导体存储器，无论是在结构、性能方面，还是在存储密度方面，每一年都取得了突飞猛进的发展，已经成为最重要的集成电路产品类型之一。半导体存储器技术是数字系统和系统集成芯片的主要组成部分，而我国在这一方面的起步较晚，还迫切需要了解和借鉴国际上的最新技术。《先进半导体存储器—结构、设计与应用》一书则综合介绍了几乎所有近年来发展的半导体存储器技术，分析了它们的工作机理与结构、优点与存在的问题、实际应用，以及各国公司的典型产品和研发情况。在电子工业出版社的大力支持下，经过清华大学微电子学研究所多位教师的努力，这本书的中译本现在终于可以和大家见面了。 本书是由Ashok K.Sharma博士所著，原版由美国IEEE（电气与电子工程师学会）出版社出版。作者现在是美国NASA Goddard空间飞行中心可靠性工程部的经理，在半导体技术领域有丰富的经验。他也是1997年由IEEE出版社出版的“Semiconductor Memories：Technology，Test and Reliability”一书的作者。Sharma博士写作本书的目的不仅是对前一本书的内容进行补充，对人们感兴趣的另外三个方面（结构、设计与应用）也进行了讨论和评述。本书详细讲解和评价了SRAM、高性能DRAM、不挥发存储器技术、嵌入式存储器的设计与应用等重要领域当前的进展情况，以及未来半导体存储器的存储密度从千兆位向兆兆位发展的可能方向。所以，本书可以作为大学本科高年级学生和研究生的教材，而且对于半导体制造与电子工业领域的从业人员，包括计算机、通信、汽车等领域的工程师、系统级设计师和经理们，也是一本很有价值的参考书。 全书共分7章，第1章综述了各种半导体存储器技术的发展现状和未来存储器技术的可能发展方向。第2章讨论了SRAM的基本结构和各种先进的SRAM技术。第3章详细评论了现代高性能DRAM的工艺技术进步、等比例缩小问题和未来的发展趋向。第4章讨论了专用DRAM存储器的结构和设计问题。第5章介绍了不挥发存储器的发展情况和各种不挥发存储器（包括EPROM/EEPROM、快闪存储器、铁电存储器等）的结构、设计、工艺技术和可靠性问题。第6章讨论了嵌入式存储器的设计和应用问题。第7章对未来半导体存储器从千兆位密度向兆兆位密度的发展进行了展望，介绍了目前正在研究和发展且将来可能有希望取代现有存储器的各类新型挥发和不挥发存储器，如磁阻存储器、单电子存储器、相变存储器等。 本书由清华大学多位老师和博士研究生翻译，其中前言、第1章和第7章由朱钧翻译，第2章由伍冬翻译，第3章由林发永翻译，第4章由任涛翻译，第5章由曾莹翻译，第6章由孙磊翻译。译本对原书中的一些印刷错误进行了订正，并以“译者注”标明。全书由朱钧、林发永、曾莹校订。尽管本书进行了反复校订，但由于译者水平所限，仍难免有不妥之处，敬请读者批评指正。

在最近30年半导体存储器的显著发展过程中，DRAM已成为用做计算机主存的最大量生产的易失性存储器（也称为挥发性存储器），因为它具有高密度和每位低价格的优点。从技术上讲，SRAM的密度一般落后于DRAM一代。然而，SRAM具有低功耗和高性能的特点，这使它们成为DRAM的实际替代者。自从1970年引入浮空多晶硅栅为基础的可擦除可编程只读存储器（EPROM）以来，非易失性存储器（NVM，也称为不挥发性存储器）也得到了极大的发展。作为EPROM（或UVEPROM）的替代品，已经发展了电可擦除PROM（EEPROM），它具有在系统内编程的灵活性，并在EPROM或EEPROM器件技术基础上发展了快闪存储器（Flash），这种存储器的全部存储器阵列单元的存储信息可以被同时擦除。现在，可以购买到8 Mb至512 Mb的快闪存储器，更高密度的快闪存储器则正在开发之中。 现在预计DRAM今后也同样会拥有存储器市场的最大销售额。2000年，它在快闪存储器市场已超过了SRAM，排名第二。DRAM和快闪存储器的市场份额预期至少在2005年前会继续有强劲增长。 空间的辐射环境对地球轨道卫星和行星间飞行的宇宙飞船上的所有电子元件都提出了明确的辐照风险问题。自然空间环境存在的带电粒子，如电子和质子，对半导体存储器造成的离化损伤的累积效应是非常严重的。对更高密度存储器不断增长的需求，产生了标准封装进一步的压缩方法，如混合制造及多模块封装技术，以及将二维平面封装技术扩展到三维封装概念，其中，三维封装中的存储器芯片在焊接互连引线前被垂直安装在基座上。 我早期写的一本书“Semiconductor Memories”中包括了以下所有的重要题目，如随机存取存储器（简称为随机存储器）技术（SRAM和DRAM）和它们的专门应用结构；非易失性技术，如只读存储器（ROM）、可编程只读存储器（PROM）和紫外光可擦除（UVPROM）与电可擦除（EEPROM）两种类型的可擦除PROM；存储器失效模型和试验；存储器可测性设计和失效容限；半导体存储器可靠性；半导体存储器辐照效应；先进存储器技术及高密度存储器封装技术。 本书的目的是补充“Semiconductor Memories”一书中已包括的某些内容，并详细论述以下内容：SRAM现在与将来的发展、高性能DRAM、专用DRAM的设计与结构、非易失性存储器技术、嵌入式存储器的设计与应用，以及将来的从千兆位（Gb）到兆兆位（Tb）存储器的发展方向。 本书详细评述了现代DRAM的技术进步、等比例缩小问题和未来的发展趋向。扩展数据输出（EDO）DRAM比传统的全页模式（FPM）DRAM更具优势，因为它在存储器单页中读出数据时可以有较短的页模式周期时间（或较快的数据率）。单数据率同步DRAM（SDRAM）和同步图像RAM（SGRAM）采用与EDO DRAM一样的基本存储器单元和字线驱动器。然而，它们的性能受到接口要求的限制，因此，引入了双数据率（DDR）SDRAM/SGRAM，它们加入了几个重要特性以增强存储器的结构。本书用几个已有的1 Gb SDRAM单元及结构的例子，讨论了千兆DRAM等比例缩小的主要问题。同时还详细描述了特种存储器的结构与设计，例如，视频RAM、 SGRAM、DDR SGRAM、Rambus技术、同步连接DRAM（SLDRAM）和3-D RAM等。 对于DRAM在光刻和形成电容器结构方面的技术需求，随着等比例缩小显然已变得更加迫切。一个关键问题是，随着单元尺寸不断缩小，要能应用高介电常数材料使每一单元有足够大的存储电容值。控制总的漏电流以维持合理的信息保持时间，也是很重要的。 一般来讲，快闪存储器可以分为两种主要类型：以NOR为基础的快闪存储器针对编程码/数据存储应用，NAND为基础的快闪存储器适于大容量存储应用。本书论述了EEPROM/Flash单元与阵列结构的最新发展情况，并描述了四种主要的Flash结构：现在可购买到的代表性存储器NOR、NAND、DINOR和AND。Flash存储器的等比例缩小较复杂，因为需要相对较高电压的NVM结构必须和采用低电压的CMOS工艺相结合。 FRAM（或FeRAM）是以RAM为基础的一种器件，它用铁电（FE）效应作为电荷存储机理，即在没有外加电场的情况下，材料存储晶体结构内的电极化的能力是它的工作基础。应用最广泛的FE材料是PZT（PbZrxTi1-xO3）和SBT（SrBi2Ta2O9）。本书论述了以FE材料为基础的器件技术和设计。目前，FRAM工艺技术还是落后于其他领先的存储器技术，FRAM的等比例缩小问题更加复杂，因为铁电材料、缓冲材料及其工艺条件都仍需改进。 当微处理器的性能已从几百兆赫兹增加到一千兆赫兹或更高时，相对较慢的DRAM中的空闲等待时间就增加了，这导致了存储器和微处理器之间的性能差距。在先进半导体存储器领域中，成长最快的方向是嵌入式存储器的设计和应用。现在，开发嵌入式存储器的两个主要方式是以逻辑电路工艺为基础制造存储器和以DRAM工艺技术为基础制造逻辑电路。采用嵌入式存储器方案的关键优点是封装密度更高和能有效节省空间，而这正是笔记本电脑和手提式通信设备所需要的。嵌入式Flash存储器最流行的应用是PLD、FPGA、DSP和微控制器。本书评论了各种Flash卡技术，例如先进技术安装（ATA）、小型的Flash卡技术、多媒体卡和单片Flash 盘等。 现在，正在进行大量的探索各种存储器结构的研究，包括用电介质环绕的电荷绝缘、磁荷的存储、化学现象、相变材料，以及用库仑阻挡势垒保持电荷等。这些不同方法的主要目的是把新的存储元件合并入CMOS技术平台。 本书讨论了这些正处于研究和开发阶段的易失性和非易失性存储器技术，以及它们在未来从千兆位到兆兆位的等比例缩小过程中的发展方向和潜力。其中的一个例子是磁阻RAM（MRAM），它是一种非易失磁存储器件，其原理是，一种材料的磁阻将由于磁场的存在而发生改变。谐振隧道二极管（RTD）包括一个发射区和一个收集区，以及一个双重隧道势垒结构，其中包含了一个量子阱。隧道二极管和RTD两者可揭示量子机理隧道电流的负微分电阻（NDR）的特性。对RTD的兴趣在于多状态及高密存储器和以隧道为基础的SRAM（TSRAM）单元设计及应用。单电子器件的工作原理依靠电子之间的库仑排斥力。预期这些器件即使在非常小的物理尺寸（原子尺度）和十分低的功耗下也能工作，使得特大规模的电路集成成为可能。 相变存储器技术利用某些薄膜合金结构相变来存储信息，一般采用周期表上第VI族的一个或多个元素，例如锗和锑。这些相变合金称为硫化物材料。相变技术利用热激发的合金结构快速并可逆的变化来存储信息。已经制作出采用硫化物的相变半导体存储器样品。 这些新存储器技术发展的其他一些例子是：（a）质子非易失性存储器的研究，这基于观察到氢离子（质子）可以作为硅-氧化硅-硅（Si-SiO2-Si）器件中的信息基本载体，产生存储器功能；（b）一个集成的按内容编址的只读存储器（CAROM）数据存储系统，它利用数据压缩算法，可以无需移动部件，以任意形式的数据包装来获得CD-ROM那样高的密度；（c）纳米存储器，如IBM的一个研究组报告的，正在发展一种称为Millipede的样品，它可以存储惊人的数据量（如500 Gb/in2，1 in = 0.0254 m），在一个平坦的聚合物表面用原子力显微镜产生微刻痕，这类似于唱针的工作；（d）全息数据存储，它被看成有希望实现随机存取立体存储的技术，可达到比表面存储高几个数量级的密度。 此外，许多激励人心的存储器技术研究发展报告一直在媒体上定期发布。例如，Nantero公司已经宣布它开发出了采用碳纳米管作为有效存储器元件的高密度非易失性随机存取存储器（NRAM），该公司的目标是把这种工艺与标准CMOS工艺结合在一起。按照该公司的说法，与相近尺寸的普通RAM相比，NRAM最多可存储其10倍的数据量，而且速度更快，消耗功率也更小。另外一家Rolltronics公司已经宣布开发了纳米薄膜存储器，它将数据存储在分子大小的圆柱体上，在掉电后仍能维持数据。根据该公司的说法，Rolltronics 的NanoMEM技术的工作原理很简单，数据存储在分子中，这些分子在1微米厚的塑料薄片上自已组装成圆柱形堆栈。数据用低压光电过程写入，使得一份电荷陷入塑料分子中。这种构造不需要化学变化，比Flash简单得多，使得它适合于卷到卷的制造。此项技术有潜力以接近分子级水平的密度存储数据。例如，一个PC卡模块可以比现在以Flash为基础的PC卡多存储100倍的数据。从这些存储器研究发展的例子和其他的研究中，我们很难预测今后5至10年，在从千兆位到兆兆位等比例缩小的过程中，哪一个将是市场的胜利者。 现在，在市场上很少有论述半导体存储器的书，而且其中所得到的信息也是不全面的，并且在许多情况下是过时的。 “Semiconductor Memories”一书集中关注的三个领域是：技术、测试和可靠性。本书则在另外三个领域：结构、设计和应用方面，通过提供详细而完整的内容对前者进行了补充。因此，这两本书的结合将对在半导体制造和电子工业相关领域工作的读者，包括工程师、系统级设计者，以及在计算机、通信、汽车、商业卫星和军用航空电子领域的管理者，大有裨益。 我特别要对美国John Wiley & Sons公司和IEEE出版社的所有编辑和技术审阅人员表示感谢，感谢他们在手稿评审、提供评注和对最后版本进行修改等方面的工作。我还要感谢Goddard Space飞行中心部门主任Darryl Lakins 先生对我的鼓励，感谢许多半导体存储器的制造商，他们提供了产品说明书并允许再版他们的资料。