Dispositivi e Tecnologie Elettroniche. Memorie a semiconduttore

Transcript

1 Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Memorie a semiconduttore

2 Classificazione Memorie a sola lettura ROM - Mask programmed ROM - Programmable ROM (PROM) Memorie non volatili NVRWM - EPROM - EEPROM o E 2 PROM - Flash Memorie a lettura e scrittura RAM - statiche (SRAM) - dinamiche (DRAM) Inoltre la memorie a lettura e scrittura si classificano anche in base a criteri legati alle modalità di accesso: accesso casuale sincrone singola porta accesso implicito (es. FIFO) asincrone multi-porta Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 2

3 Architettura logica (I) Consideriamo una cella di memoria in grado di immagazzinare 1 bit di informazione. Sono sufficienti due linee per accedere alla WL cella di memoria cella: - la Bit Line BL trasporta il bit da o verso la cella - la Word Line WL trasporta il segnale di selezione della cella Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 3 BL

4 Architettura logica (II) Per immagazzinare più bit di informazione, da leggere o scrivere in numero c per volta, si può usare un organizzazione a matrice; logicamente l informazione è contenuta in una matrice di celle di memoria avente dimensione r c c è il numero di bit letti o scritti in parallelo r = 2 n e n è il numero di bit di indirizzo Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 4

5 Architettura logica (III) c colonne r=2 n indirizzo (n bit)... r c 1 r righe BL1 cella (3,1) WL3 Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 5

6 Architettura logica (IV) Il decoder di indirizzo converte l indirizzo espresso su n bit nella selezione di una sola delle righe della matrice (segnale WL). Le BL della matrice terminano in opportuni buffer che pilotano le linee di dato esterne durante le operazioni di lettura; nelle operazioni di scrittura, le BL ricevono i valori da immagazzinare nella riga selezionata. Problema: di solito il rapporto d aspetto della matrice risulta piuttosto sbilanciato (r >> c). Per esempio, la matrice di una memoria di 1M byte (n = 20, r = 2 20, c = 8) sarebbe volte più alta che larga! Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 6

7 Architettura fisica (I) Si preferisce allora allocare più di una parola sulla medesima riga, fino a ottenere un rapporto d aspetto circa unitario e quindi una matrice quasi quadrata. Per l esempio precedente, si può scegliere r = 2 12 e c = 2 11, ottenendo una matrice di r c = 2 23 celle. Naturalmente sarà necessario selezionare tra le celle della riga abilitata quelle che compongono la parola da leggere o scrivere: questo si può fare con un multiplexer a più vie. L indirizzo sarà diviso in due parti, la prima (indirizzo di riga) servirà per abilitare una delle righe della matrice, la seconda (indirizzo di colonna) permetterà di selezionare mediante il multiplexer la parola all interno della riga. Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 7

8 Architettura fisica (II) c colonne indirizzo di riga (n1 bit) r-1 indirizzo di colonna (n2 bit) c k-1 r righe n = n1 + n2 r = 2 n1 c k = w w = 2 n2 w è il numero di parole allocate nella medesima riga. Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 8

9 Tempistiche di accesso (I) Consideriamo come esempio una RAM di tipo asincrono e vediamone le procedure tipiche di accesso in lettura e scrittura. I segnali fondamentali coinvolti sono: - indirizzo, ADD e dati, DATA (bidirezionali) - chip select, CS (abilitazione del componente, attivo a 0) - write enable, WE (abilitazione alla scrittura, attivo a 0) L operazione di scrittura richiede: indirizzo e dati validi, chip select attivo write enable attivo L operazione di lettura richiede: indirizzo valido, chip select attivo write enable non attivo Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 9

10 Tempistiche di accesso (II) Ciclo di scrittura: t W C è la durata del ciclo di scrittura ADD CS t WC WE t As tds tdh DATA t As è il setup time dell indirizzo t Ds è il setup time del dato da scrivere t Dh è l hold time del dato Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 10

11 Tempistiche di accesso (III) Ciclo di lettura: t RC è la durata del ciclo di lettura ADD CS t RC WE t EQ t AQ DATA t AQ è il ritardo da indirizzo a data t EQ è il ritardo da abilitazione a dato Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 11

12 La cella ROM V DD WL "1" logico Struttura semplice e piuttosto compatta (alta densità). Le controindicazioni sono: mancato isolamento elettrico tra WL e BL WL BL V DD "0" logico WL deve fornire la corrente per pilotare la capacità parassita della BL BL Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 12

13 La cella ROM BJT e MOS BJT BL MOS BL WL V DD WL Cella BJT: "1" logico buon isolamento tra WL e BL elevata velocità WL "0" logico BL WL BL Cella MOS: ottimo isolamento tra WL e BL minima dissipazione di potenza Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 13

14 ROM programmabili (PROM) Le PROM consentono all utente di programmare (una sola volta) la matrice di memoria. In serie all elemento attivo della cella è collocato un fusibile: questo, se bruciato durante la scrittura, permette di isolare il transistore dalla BL. Problemi: un solo errore nel processo di programmazione rende il componente inutilizzabile il collaudo del modulo di memoria non può avvenire, se non statisticamente Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 14

15 Fusibili Sono usate tre tecnologie per la realizzazione dei fusibili: uso di sottili tratti di linea metallica, interrotta forzando una corrente elevata tra WL e BL uso di sottili tratti di linea in silicio policristallino uso di una seconda giunzione pn, che durante la programmazione viene prima portata in breakdown e poi cortocircuitata per azione dell Al che diffonde nel Si a temperatura elevata. Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 15

16 Memorie non volatili riscrivibili Le PROM sono programmabili una volta soltanto; nelle memorie NVRWM, la possibilità di riscrittura degli elementi di memoria è garantita dalla loro conduttività, che può essere alterata in modo non distruttivo. L elemento chiave è un transistore avente una V t modulabile, con valori diversi nei due stati possibili di 0 e 1. Per un transistore n-mos, V t dipende dalla quantità di carica presente tra l elettrodo di gate ed il canale, secondo l equazione V t = KQ/C ox Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 16

17 Il transistor floating gate Il dispositivo FG permette di immagazzinare gli elettroni in uno strato conduttore, circondato da un dielettrico, posto tra l elettrodo di gate e il canale. I DS Q=0 Q<0 FG CG SiO 2 n+ n+ erased p programmed V GS Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 17

18 Il transistor floating gate (II) Il comportamento del transistor floating gate si può comprendere a partire dal un semplice modello elettrico: FG S C C è la capacità tra i due gate ( floating, FG e di controllo, C), C C B C C C S, C B e C D sono le capacità di source, bulk e drain. S C B D C D Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 18

19 Il transistor floating gate (III) Indicando con Q la carica immagazzinata nel FG e con C T la capacità totale, si ha Q = C C (V F V C ) + C S (V F V S ) + C B (V F V B ) + +C D (V F V D ) V F = C C C T V C + C S C T V S + C D C T V D + C B C T V B + Q C T Ipotizziamo che source e bulk siano al potenziale di massa: si ha V F S = C C C T V CS + C D C T V DS + Q C T = α C (V CS + fv DS + Q C C ) con α C = C C /C T e f = C D /C C (fattori di accoppiamento). Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 19

20 Il transistor floating gate (IV) Definiamo tensione di soglia V T F S il potenziale da applicare al FG con V DS = 0 per ottenere l inversione di popolazione; tale potenziale sul FG corrisponde a una certa tensione V T CS applicata al terminale di controllo. V T CS = 1 α C V T F S Q C C Mentre V T F S dipende dalla tecnologia, V T CS è anche legata al valore di carica Q nel FG: quindi variando Q si modifica la soglia, traslando così la caratteristica I-V. Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 20

21 Il transistor floating gate (V) V T E = 1 α C V T F S erased cell V T E = 1 α C V T F S Q C C programmed cell I DS Q=0 Q<0 erased V TE V TP programmed V GS Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 21

22 Cella EPROM FAMOS: Floating-gate Avalanche-injection MOS. Il tempo di accesso è dell ordine di 100 ns. La programmazione della cella EPROM ( Erasable PROM ) avviene elettricamente per moltiplicazione a valanga degli elettroni del canale, che vengono poi iniettati nel FG. Per cancellarne il contenuto, il modulo EPROM deve essere rimosso dal resto del circuito per poi venire esposto a radiazione ultravioletta, il cui effetto è di consentire la ricombinazione degli elettroni presenti nel FG. Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 22

23 Cella EPROM (II) L operazione di scrittura richiede, per tempi dell ordine dei µs, l applicazione di tensioni elevate (10-20 V) sia al gate (attraverso WL ), sia al drain (attraverso BL) del dispositivo. La tecnica di cancellazione, effettuata per l intero chip, necessita della presenza di una finestra di quarzo nel package: l esposizione può durare svariati secondi o minuti, in funzione della intensità della sorgente UV. L affidabilità di una memoria EPROM, in seguito ai danni reticolari provocati dalla radiazione UV, è tipicamente garantita per un numero massimo di riprogrammazioni (da 100 a 1000). Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 23

24 Cella EEPROM La cella EEPROM ( Electrically Erasable PROM ) è programmata e cancellata per via elettrica (max riprogrammazioni). Il funzionamento dell elemento di memoria è basato sull effetto tunnel Fowler-Nordheim: mediante un intenso campo elettrico (10 9 V/m) ai capi di un sottile strato di SiO 2 si modifica la struttura a bande del materiale, in modo da permettere l iniezione o la rimozione di elettroni. Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 24

25 Cella EEPROM (II) Per realizzare tali dispositivi si ricorre ad una delle seguenti soluzioni tecnologiche: - MNOS e SONOS ( Silicon-Metal-Nitride-Oxide-Silicon ) - FLOTOX ( FLOating gate Thin Oxide ), la tecnologia maggiormente diffusa - TP-E 2 PROM (Textured Polysilicon) Tutte le implementazioni basate sull effetto tunnel richiedono la presenza di un ulteriore transistore per effettuare la selezione del bit. Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 25

26 Cella EEPROM FLOTOX Il transistore FLOTOX è un dispositivo floating gate nel quale: lo spessore del SiO 2 in prossimità del drain è ridotto da 100 nm (EPROM) a soli 8-10 nm, in modo da massimizzare l efficienza dell effetto tunnel quantistico; la transcaratteristica I-V è simmetrica, da cui la reversibilità delle operazioni. Tuttavia: - l area della cella è 3-4 volte superiore rispetto a quella della struttura FAMOS; - la procedura di programmazione è lenta (circa 8 msec/word) e complessa (scrittura dell intero chip seguita da una cancellazione selettiva dei bit). Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 26

27 Cella EEPROM FLOTOX (II) gate FG drain FG CG SiO 2 eee eeeee n+ n+ n+ p L effetto tunnel Fowler- Nordheim è usato sia per la programmazione che per la cancellazione. eeeeeee eeee eee Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 27

28 Architettura di una EEPROM BL1 GND BL2 WL1 VH (1,1) (1,2) WL2 (2,1) (2,2) Programmazione della cella (1,1): WL 1 = V H e BL 1 = 0 Per impedire la programmazione indesiderata di (1,2), è necessario che BL 1 = V H Se WL 2 = 1, m(2,1) è programmata, se WL 2 = 0, m(2,2) è cancellata. Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 28

29 La cella Flash ETOX ETOX: EPROM Tunnel Oxide la programmazione (V DS = V GS = 12 V) avviene per moltiplicazione a valanga dei portatori di carica (elettroni caldi) presenti nel canale conduttivo; la cancellazione (V DS = V SG = 12 V) avviene invece ricorrendo all effetto Fowler-Nordheim: gli elettroni intrappolati nel FG vengono catturati dal source n +. Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 29

30 La cella Flash ETOX (II) La cella Flash ETOX combina la versatilità di un modulo EE- PROM con la compattezza di una struttura EPROM: le operazioni avvengono on-system elettricamente, non è necessario alcun transistore addizionale per effettuare la selezione del bit, la procedura di cancellazione può essere eseguita sull intero chip, come per i moduli EPROM, oppure a settori. Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 30

31 La cella Flash ETOX (III) source GND +12V +6V drain source +12V GND drain Channel Hot Electron FN tunneling Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 31

32 Memorie a lettura/scrittura Le memorie a accesso casuale si dividono in due ampie classi, sulla base del principio che consente di immagazzinare l informazione: RAM statiche (SRAM): l elemento base di memoria è un circuito retroazionato e l informazione è associata al livello di tensione, RAM dinamiche (DRAM): l elemento base di memoria è una capacità e l informazione è associata alla carica elettrica. Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 32

33 Memorie RAM statiche Due inverter chiusi in retroazione mantengono i livelli di tensione forzati ai 2 nodi finché il circuito è alimentato. I pass transistor permettono la connessione con le bit line. WL BL BL Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 33

34 Cella 6-T Dinamica di tensione 0 V DD BL V DD BL Consumo di potenza statica nullo Isolamento a trincea di ossido per aumentare la densità. WL Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 34

35 Cella 4-T Il transistore di pull up è sostituito da un carico resistivo, in tecnologia TFT (Thin Film Transistor): R 10 TΩ è in polisilicio BL V DD BL R non fornisce corrente apprezzabile durante le transizioni R R l area occupata è di 2/3 inferiore. WL Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 35

36 Tempi di accesso Accesso in scrittura: la velocità è garantita dal circuito di pilotaggio esterno alla cella (uno per ogni bit line ) "1" BL strong "0" WL weak "1" weak "0" "0" strong "1" BL Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 36

37 Tempi di accesso (II) Accesso in lettura: Per ragioni di densità, i transistori della cella sono di dimensioni minime e forniscono quindi correnti limitate. Le bit line sono lunghe (proporzionalmente alle dimensioni della matrice) e sono associate a capacità parassite elevate. I transistori della cella, nel pilotare le bit line devono essere aiutati da un sense amplifier, capace di correnti molto superiori a quelle della singola cella di memoria. Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 37

38 SRAM: sense amplifier WL BL SENSE AMPLIFIER SE SE V DD BL CELLA DI MEMORIA Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 38

39 Sequenza di lettura 1) Le bit line sono precaricate a V DD /2. 2) La cella di memoria è selezionata attivando la word line. 3) Il sense amplifier è acceso. * cella ram statica con sense amplifier Voltages (lin) m 0-20p 0 20p 40p 60p 80p 100p 120p 140p 160p 180p 200p 220p 240p 260p 280p 300p 320p 340p 360p 380p 400p 420p Time (lin) (TIME) Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 39

40 Memorie RAM dinamiche L elemento di memoria è la capacità C M, in grado di immagazzinare (temporaneamente) una carica. L area è estremamente ridotta. WL BL C M Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 40

41 Charge sharing Nell operazione di lettura, la carica immagazzinata si ridistribuisce tra la capacità C M della cella di memoria e la capacità C BL della bit line. C BL V WL C M Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 41

42 Charge sharing (II) La tensione finale V f si trova applicando il principio di conservazione della carica: - Prima della selezione della cella, la carica è Q tot = Q BL + Q M = C BL V BL + C M V M - Dopo la selezione della cella, la carica vale Q tot = (C BL + C M )V f e quindi V f = C BLV BL + C M V M. C BL + C M Se C BL >> C M, allora la tensione finale è di poco modificata rispetto a quella iniziale sulla bit line : V f V BL Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 42

43 DRAM: lettura Esempio: Con capacità C BL = 10 C M e tensione di precarica V BL = 0, 5 V DD = 2, 5 V, si ottiene una tensione finale V f = 2, 73 V nel caso V M = 5 V, e V f = 2, 27 V nel caso V M = 0. Occorre risolvere 2 problemi: 1) La piccola variazione di tensione sulla bit line deve essere amplificata alla dinamica completa 0-V DD, 2) il valore di tensione originale V M deve essere ripristinato nella cella di memoria letta. Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 43

44 DRAM: sense amplifier Il sense amplifier permette di risolvere entrambi i problemi, e inoltre di velocizzare l accesso; ogni bit line è divisa in due semicolonne precaricate a V DD /2 e l amplificatore collocato in mezzo. V PRE semi colonna superiore WL SENSE AMPLIFIER SE SE 0,5V DD C M CELLA DINAMICA semi colonna inferiore V PRE Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 44

45 DRAM: correnti di perdita Le correnti di perdita del MOSFET tendono a scaricare la capacità C M : per esempio, con una corrente di perdita I l = A, una capacità C M = 1 ff e una tensione iniziale V M = 1, 8 V, la tensione della cella scende a 1 V in 80 ms! I l = C M V t t = C M I l (1, 8 1) = 0, 08 s Per evitare questo effetto, tutte le celle devono essere periodicamente lette (refresh): grazie al sense amplifier, l operazione di lettura rigenera i valori di tensione corretti. Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 45

46 Confronto SRAM-DRAM SRAM tempo di accesso < 10 ns densità 4-6 volte inferiore costo 10 volte superiore tagli tipici: kb uso: cache (interna o esterna) DRAM ns necessita di refresh interfaccia più complessa 64 MB memoria principale Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 46

47 Ferroelettricità I materiali ferroelettrici mostrano una polarizzazione elettrica spontanea la cui direzione può essere alterata mediante un campo esterno. La dipendenza della polarizzazione P dal campo E presenta isteresi, cioè P ha due stati stabili con campo nullo. P polarizzazione permanente E campo coercitivo Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 47

48 Materiali ferroelettrici I materiali ferroelettrici più comuni hanno struttura del tipo ABO 3, dove A e B sono ioni metallici per esempio, BaT io 3, BaSrT io 3, P bt io 3. La polarizzazione elettrica deriva dalla ridotta deformazione di questa struttura rispetto a quella cubica per esempio il T i può avere due posizioni stabili al di sopra e al di sotto del piano O P P Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 48

49 Applicazioni La doppia direzione stabile di polarizzazione in condizioni di campo elettrico nullo può essere sfruttata per realizzare elementi di memoria non-volatili. Dato che i materiali ferroelettrici sono anche piezoelettrici, sono anche usati per realizzare sensori e attuatori; inoltre la costante dielettrica è piuttosto elevata ( fino a frequenze intorno a 100 GHz), quindi sono utili come dielettrici in condensatori di grande capacità. Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 49

50 Applicazioni (II) sensori dispositivi optoelettronici piroelettricita e piezoelettricita alta costante dielettrica condensatori FILM FERROELETTRICI effetto elettro ottico ferroelettricita memorie non volatili Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 50

51 Condensatore ferroelettrico Il condensatore ferroelettrico (FECAP) ha 2 armature e uno strato ferroelettrico come isolante;la variazione di polarizzazione nel dielettrico induce una variazione di carica sugli elettrodi. Molti metalli, all interfaccia con lo strato ferroelettrico, ossidano, perciò occorre usare metalli nobili (P t) oppure interporre una protezione. P Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 51

52 Transistor ferroelettrico Il transistore ferroelettrico (FEFET) è simile al MOSFET tradizionale, ma fa uso di un film ferroelettrico al posto dell ossido di gate: la polarizzazione ferroelettrica deve essere compensata dalla carica nel canale e la direzione di polarizzazione influenza la tensione di soglia. L interfaccia silicio-fe è critica a causa dell ossidazione di Si. gate FE P source drain Si Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 52

53 Accesso alla cella BL WL FECAP Vin Vin Cfe Vout "1" "0" Cm Vout Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 53

54 Affidabilità L operazione di lettura è distruttiva, quindi occorre ripristinare l informazione letta. Le memorie ferroelettriche soffrono di problemi di affidabilità: l area del ciclo di isteresi si riduce al crescere del numero di cicli di commutazione ( fatica elettrica ), un lungo periodo di programmazione in uno stato accresce la difficoltà di commutazione ( imprint ), Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 54

55 Confronti Tipo di Memoria EEPROM FLASH FERAM dimensione della cella 4 1 1,2 tensione di scrittura V V 2 V tempo di scrittura 1-10 ms 100 µs 100 ns energia di scrittura 1 pj 10 nj 1 pj numero di scritture numero di letture Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Proprietà elettriche dei materiali 55