Устройство ячейки флэш-памяти

В SSD как и в USB Flash используются три типа памяти NAND: SLC (Single Level Cell), MLC (Multi Level Cell) и TLC (Three Level Cell). Отличие только в том, что SLC позволяет хранить в каждой ячейке только один бит информации, MLC – два, а TLC – три ячейки (использование разных уровней электрического заряда на плавающем затворе транзистора), что делает память MLC и TLC более дешёвой относительно ёмкости.

Однако память MLC/TLC обладает меньшим ресурсом (100 000 циклов стирания у SLC, в среднем 10 000 для MLC, а для TLC до 5 000) и худшим быстродействием. С каждым дополнительным уровнем усложняется задача распознавания уровня сигнала, увеличивается время поиска адреса ячейки, повышается вероятность ошибок.

На простейшем уровне ячейка флэшпамяти представляет собой n-канальный MOSFET-транзистор с так называемым плавающим затвором. Напомним, что обычный n-канальный MOSFET-транзистор (структура n-p-n) может находиться в двух состояниях: открытом и запертом (закрытом). Управляя напряжением между стоком и затвором, можно создавать канал проводимости электронов (n-канал) между истоком и стоком (рис. 1). Напряжение, при котором возникает канал проводимости, называется пороговым. Наличие канала проводимости соответствует открытому состоянию транзистора, а отсутствие (когда транзистор не способен проводить ток от истока к стоку) — запертому.

Рис. 1. Устройство MOSFET-транзистора (открытое и закрытое состояние)

В открытом состоянии напряжение между стоком и истоком близко к нулю, а в закрытом может достигать высокого значения. Конечно, сам по себе транзистор не способен сохранять информацию. Собственно, для хранения информации как раз предназначен плавающий затвор (рис. 2). Он выполнен из поликристаллического кремния и полностью окружен слоем диэлектрика, что обеспечивает ему полное отсутствие электрического контакта с элементами транзистора. Плавающий затвор расположен между управляющим затвором и подложкой из p-n-переходов. Такой затвор способен сохранять помещенный на него заряд (отрицательный) в течение неограниченного времени (до 10 лет). Наличие или отсутствие избыточного отрицательного заряда (электронов) на плавающем затворе может трактоваться как логические единица и ноль.

Рис. 2. Устройство транзистора с плавающим затвором и чтение содержимого ячейки памяти

Сначала рассмотрим ситуацию, когда на плавающем затворе нет электронов. В этом случае транзистор ведет себя подобно уже рассмотренному традиционному транзистору. При подаче на управляющий затвор положительного напряжения (инициализация ячейки памяти), равного пороговому значению, в подзатворной области создается канал проводимости — и транзистор переходит в открытое состояние. Если же на плавающем затворе помещен избыточный отрицательный заряд (электроны), то даже при подаче порогового значения напряжения на управляющий затвор он компенсирует создаваемое управляющим затвором электрическое поле и не дает образоваться каналу проводимости, то есть транзистор будет находиться в закрытом состоянии.

Таким образом, наличие или отсутствие заряда на плавающем затворе однозначно определяет состояние транзистора (открыт или закрыт) при подаче одного и того же порогового значения напряжения на управляющий затвор. Если подачу напряжения на управляющий затвор трактовать как инициализацию ячейки памяти, то по напряжению между истоком и стоком можно судить о наличии или отсутствии заряда на плавающем затворе.

То есть в отсутствие управляющего напряжения на затворе, независимо от наличия или отсутствия заряда на плавающем затворе, транзистор будет всегда закрыт, а при подаче порогового значения напряжения на затвор состояние транзистора будет определяться наличием заряда на плавающем затворе: если заряд имеется, то транзистор будет закрыт и выходное напряжение будет высоким; если заряд отсутствует, то транзистор будет открыт и выходное напряжение будет низким.

Закрытое состояние транзистора (отсутствие канала проводимости) принято трактовать как логический ноль, а открытое (наличие канала проводимости) — как логическую единицу. Таким образом, при инициализации ячейки памяти (подаче порогового значения напряжения на затвор) наличие заряда на плавающем затворе трактуется как логический ноль, а его отсутствие — как логическая единица.

Получается своеобразная элементарная ячейка памяти, способная сохранять один информационный бит. При этом важно, чтобы заряд на плавающем затворе (если он там имеется) мог сохраняться сколь угодно долго как при инициализации ячейки памяти, так и при отсутствии напряжения на управляющем затворе. В этом случае ячейка памяти будет энергонезависимой.

Помещение заряда на плавающий затвор реализуется либо методом инжекции горячих электронов (CHE-Channel Hot Electrons), либо методом туннелирования Фаулера — Нордхейма (рис. 3). Ну а удаление заряда производится только методом туннелирования Фаулера.

Рис. 3. Процесс записи и стирания информационного бита в транзистор с плавающим затвором

При использовании метода инжекции горячих электронов на сток и управляющий затвор подается высокое напряжение (на управляющий затвор подается напряжение выше порогового значения), чтобы придать электронам в канале энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера, создаваемого тонким слоем диэлектрика, и туннелировать в область плавающего затвора (при чтении на управляющий затвор подается меньшее напряжение, и эффекта туннелирования не наблюдается).

Для удаления заряда с плавающего затвора (процесс стирания ячейки памяти) на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение, а на область истока — положительное. Это приводит к тому, что электроны туннелируют из области плавающего затвора в область истока (квантовое туннелирование Фаулера — Нордхейма (Fowler — Nordheim, FN)).

Рассмотренный нами транзистор с плавающим затвором может выступать в роли элементарной ячейки флэшпамяти. Однако однотранзисторные ячейки имеют ряд существенных недостатков, главный из которых — плохая масштабируемость. Дело в том, что при организации массива памяти каждая ячейка памяти (транзистор) подключается к двум перпендикулярным шинам: управляющие затворы — к шине, называемой линией слов, а стоки — к шине, называемой битовой линией (в дальнейшем данная организация будет рассмотрена на примере NOR-архитектуры). Вследствие наличия в схеме высокого напряжения при записи методом инжекции горячих электронов все линии — слов, битов и истоков — необходимо располагать на достаточно большом расстоянии друг от друга для обеспечения требуемого уровня изоляции, что, естественно, сказывается на ограничении объема флэшпамяти.

Другим недостатком однотранзисторной ячейки памяти является наличие эффекта избыточного удаления заряда с плавающего затвора, который не может компенсироваться процессом записи. В результате на плавающем затворе образуется положительный заряд и транзистор всегда остается в открытом состоянии.