两种EEPROM存储器读取电路特性比较研究

景 欣，陆 虹

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

两种EEPROM存储器读取电路特性比较研究

景 欣，陆 虹

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

EEPROM存储器是通过存储单元介质层中存储电荷的数量来实现不同数据的保存。读取电路需要将存储介质中的电荷区别转换成可识别的电流电压形式进行读出。主要针对EEPROM这类存储器的读取电路中产生参考电流的不同结构进行研究。对采用基准源产生参考电流和采用参考存储单元产生参考电流的两种结构，结合对温度、电源、工艺角的仿真和分析，推断出两种结构在各种条件组合下对电路读出性能、可靠性以及抗辐照效果的影响。比较得出带参考存储单元的读出结构，虽然结构复杂，但可以有效中和环境对读出特性的影响，保证整个存储器可以在更广泛的应用下提供高可靠的读取操作。

存储器；读取路径；灵敏放大器；参考单元；基准源；可靠性

1 引 言

存储器是集成电路中的重要一类，广泛应用于信息技术产业中。非易失存储器以其掉电后信息保持的特点更是得到工业界和学术界的关注。在非易失存储器操作中应用最为频繁的为读操作，读操作是否稳定可靠直接影响到该存储器件的常规应用以及可靠性。随着空间技术的发展，非易失存储器更多应用于人造卫星、运载火箭等航空航天领域，存储器件在辐照环境下，通过总剂量辐射、剂量率效应以及单粒子事件等，也可能引起芯片读失效。

选取非易失存储器类中EEPROM存储器的读通道设计进行研究。以EEPROM存储器件的读取原理为基础，对两种读取通道的结构进行比较研究。

2 EEPROM存储器读取原理

EEPROM存储器的基本原理是在一个MOSFET栅介质中存储电荷，通常分为两个主要类型，一种是把电荷存储在一个被介质层完全包围的导电或半导电层中，这类被称为浮栅器件如图1所示；另一种是把电荷存储在一个适当的介质层分立的俘获中心里，其阈值电压由存储在氮化硅上的电荷数量控制，因此称为电荷俘获器件，多为硅－氧化硅－氮化硅－氧化硅－硅（SONOS）存储器［1］。论文主要针对浮栅存储单元构成的存储器件进行研究。

图1 浮栅存储单元结构

无论是由哪一类存储单元实现的存储器件，基本操作原理都相同。编程和擦除操作时通过向浮栅或ONO层中注入或拉出（俘获）电子来改变浮栅或ONO层中的电荷数量，致使存储单元的阈值电压发生变化，从而区分出存储逻辑“1”或逻辑“0”，图2是存储单元经过编程、擦除后的阈值情况示意图。在读过程中，对存储单元的字线进行读电压偏置，使得擦除管导通，编程管截止，通过比较其流过的电流大小，判断出存储单元中的存储数据。

图2 EEPROM存储器工作原理示意图

不同工艺线的存储单元编程和擦除后的阈值会有区别，所以需要有专门的外围电路产生并管理读取时的控制栅电压。在电源、温度、工艺波动、高剂量辐射以及存储器的疲劳特性［2］等各种因素作用下，会造成读取窗口漂移或变得更小。结构合适的读取电路可以更精确的读出存储单元的存储信息，有效降低读取错误。

下面介绍两种EEPROM存储器的读取电路。分析了两种读取结构在受到外界干扰时，对读取效果、可靠性及抗辐照性能的影响。

3 两种读取电路的结构特点

存储器读取路径中包括存储阵列、灵敏放大器、基准源、地址译码、ATD以及控制逻辑电路等。改善读取效果的方法很多，本文主要从阵列和灵敏放大器方面进行研究。灵敏放大器是连接存储信息读出的关键模块，它决定了存储器的性能和环境容限［3］。灵敏放大器主要分为交叉耦合正反馈型和差分比较型，EEPROM等快闪存储器多采用差分比较型。本文介绍的读取结构中灵敏放大器采用的就是差分比较型中的电流镜差分放大器，因为电流型灵敏放大器不需要检测位线电流变化转化为电压变化，而是直接检测电流所以可以获得更快的读取速度［4］。

灵敏放大器主要包括三个部分：参考支路、阵列支路和比较放大器。下面给出的两种读取电路区别在于选用了不同的参考支路结构。

3.1 以带隙基准作为参考支路的读取电路结构

图3为设计中采用的电流镜差分灵敏放大器结构，由有源负载P1和P2构成的电流镜结构。

图3 电流镜差分灵敏放大器电路结构图

左边支路中存储单元的操作支路，包括一个运算放大器，通过接入基准电压Vref（1.3V），使读操作启动时将BL电压钳位在1.3V。存储单元的漏端（BL）电压必须足够小以防止产生应力现象，同时又要大于一定值产生合适的电流保证读取速度。该工艺提供的器件特性：擦除管阈值电压约4.8V；编程管阈值电压约－0.6V。根据读操作要求，CL通过外围电路接入1.8V电压，WL通过外围电路接入3.3V电压，产生电流约18μA的Icell电流被镜像到右边参考支路中去。在Iref支路，由N1将带隙基准源提供的基准电流镜像过来作为参考电流，约6μA。Icell和Iref自动做差比较，然后经两级反相器输出数据。第一级反相器主要进行数据的采样和整形，第二级用来增大驱动能力。

3.2 以存储单元作为参考支路的电路结构

图4为灵敏放大器参考支路，图4中的Iref端与图3中的Iref相连，为灵敏放大器提供参考电流，图4结构是利用额外一组存储单元的读电流，经过比例镜像，得到合适的参考电流，参考存储单元的存储数据需要在应用前进行写入。其中左边支路与图3中偏置的操作电压相同，八路BL线连接在一起，生成八倍的Icell电流。右边支路电流镜像设置为1/2、1/4、1/8、1/16的比例，经过MNTN＜3：0＞、CTRL的控制，可以选择合适的电流比例。目前设置的默认比例为Iref＝5/16Icell，约6μA。参考管利用存储单元实现，其MOS管的尺寸、电学特性和版图特性与实际读出支路相同，两支路对称，灵敏度高［5］。

图4 以存储单元作为参考支路的电路结构图

3.3 两种参考支路的特点比较

参考电流是在存储单元编程和擦除这两种状态下读出电流的中间取值。参考电流的选择依据，一是从速度的角度考虑，如果参考电流过大或过小，灵敏放大器在读出信号变化时速度会比较慢；二是从可靠性角度考虑，存储单元在经过循环擦写后阈值电压将发生变化，导致读出电流也随之改变，选取的参考值可以提供足够的可比空间，增强可靠性［6］。

对于介绍的两种参考支路的实现方法，在常态情况，也就是电源电压5V、工作温度27℃以及所有器件工作在tt（典型值）的工艺角下，编程管读出电流约为18μA，擦除管接近零，选择的比较参考电流约6μA。

针对以下设计要求：①电源电压范围2.7V－5.5V；②工作温度－55℃－125℃；③MOS管、存储管、电阻等因素，会造成存储单元各端的编程擦除和读取的操作电压产生一定范围的波动。编擦操作电压的波动直接影响存储管编程或擦除后的电荷存储效果，读取电压也会直接影响读取电路的操作，这些操作都会使存储单元在读操作时产生不同的读取电流，影响读取效果。选取临界电源电压、温度以及工艺角进行64种组合，通过仿真取得编程管、擦除管及参考管的读取电流数据［7］。

参考支路采用基准源提供参考电流的读取结构，仿真结果统计见图5，横轴为64种组合，纵轴为读取电流值，图中给出编程管、擦除管和参考管读取电流的曲线趋势。从图5中可见，擦除管电流相对稳定，基本都接近于零，编程管各端偏置电压受外界因素影响较大，出现较大幅度的波动，而参考电流由于是带隙基准源提供，所以相对较稳定。存储单元的读偏置电压是由外围模块产生的，随着温度、电源和工艺角的变化而变化，导致读出电流发生变化，而用来比较的参考电流不能按照同样的趋势随之变化，导致出现了编程管电流小于参考电流的情况，限制了灵敏放大器的感应窗口和感应速度，也会导致读出数据的错误。

图5 基准源作为参考支路的仿真数据统计曲线

参考支路由存储单元构成的读取结构，仿真结果统计见图6。擦除管电流相对稳定，几乎接近于零，由于参考管同样是由存储单元编程管按比例构成，在环境因素影响下，参考电流和编程管电流是同向变化的，所以可以一直保证参考电流介于擦除管电流和编程管电流之间，有效保证读取的正确性。

图6 存储单元作为参考支路的仿真数据统计曲线

以上讨论的是存储器读取结构受到外围设置、环境及工艺的影响，下面从可靠性角度考虑，疲劳特性是由于电子在高电场下越过阻挡层进行擦写，由于在氧化层中存在缺陷，电子会进入缺陷构成的陷阱中而很难出来，造成器件功能退化。具体表现是编程后的存储单元阈值上升，擦除后的存储单元阈值下降，读电路就很难区分这两种状态了。改善的方式之一就是要选择较好的读基准点。可以采用存储单元作为参考支路的结构，将参考单元部分进行编程，部分进行擦除，然后取合适的比例读出。这样可以有效跟随存储单元的阈值变化，即使循环擦写后窗口变小，也可以相对有效的保证读取稳定。另外一种是数据保持特性。由于外界环境或者温度原因，电子会获得足够的能量进行跃迁，跳过氧化层的阻挡而流失，因此在设计上使用存储单元本身作为读基准，单元电流同步下降，因此读取基准仍然会低于标准单元，可以正常读出数据，只是速度受到了影响［8］。

同样对于抗辐照效果来说，针对存储单元特点，采用存储单元作为存储器系统灵敏放大器的参考支路，存储单元阈值电压漂移可以跟踪阵列中存储单元辐照影响下阈值电压漂移的变化，更有效地提高灵敏放大器的可靠性。

4 结束语

根据统计结果及分析得出两种结构的特点：

（1）以基准源作为参考支路：其结构简单，操作方便，不用预先写入基准就可以正常工作。但是易受外围设置及环境工艺影响，参考电流不易选取，影响存储器的可靠性指标。

（2）以存储单元作为参考支路：增加参考单元写入控制端口，测试前需要对参考存储单元进行写入。对于任何工艺角和温度都可以保证基准电流与读电流同时变化，有效保证读取窗口，有效改善存储器疲劳特性和数据保持特性的可靠性，对于抗辐照效果来说，带参考单元的抗辐照效果更好。

［1］ Ashok K.Sharma.先进半导体存储器［M］.北京：电子工业出版社，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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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（满族），辽宁省沈阳市人，工程师/硕士，主研方向：存储器及模拟集成电路设计。

2015－03－31