目录闪存芯片架构为什么需要Cache Register和Page Register两个缓存Multi-Plane闪存的2DBlock架构读取操作:读干扰写入操作1.沟道抑制2.沟道自提升写干扰擦除操作擦除干扰电荷泄漏干扰闪存芯片架构Die——Plane——Block——Page——CellDie在一个Die中一次只能独立执行一个命令一个Die可能有若干个Plane但是一次只能延一个Die--Plane对某个Page进行读写擦除操作。每一个Plane都有自己独立的Cache Register和Page Regiser其大小的等于一个Page的大小在写某个Page的时候数据是从主控的缓存区到该Page对应Plane的Cache Register中然后再把整个Cache Register中的数据写到闪存阵列中其中flash编程时间主要在后面这一步在读某个Cache的时候需要先将整个Page中的数据从闪存介质中读取到Cache Register然后再按需传输给主控缓存区。为什么需要Cache Register和Page Register两个缓存主要目的是优化闪存的访问速度。闪存支持正常读写和Cache 读写的操作如下图读如果从闪存介质到Cache需要50ms从Cache到主控需要50ms正常读是将数据先从闪存介质读到Cache然后从Cache读到主控在从Cache到主控的传输时间里可以执行闪存到Page Register的数据传输(Cache 读) 这样整个读写过程能够省下50ms写在Page Register写入到闪存过程中可以同时执行数据从主控传输到Cache。这样可以节省时间。概念闪存读写时间指的是一个Page的数据从闪存介质中读取到Page Register的时间闪存写入之间是指一个Page的数据从Page Register当中写入到闪存介质的时间。Multi-Plane主控缓存区——Cache Register 数据传输时间为50微秒Cache Register——写入闪存介质中 写入时间为1.5ms一个Die只能操作一个Plane但是一个Die可以有2-4个Plane假设有4个Plane如果按照Single Plane操作写4个Page至少需要(1.5ms50微秒)×4的时间但是按照Multi-Plane主控先将数据写入第一个Plane的Cache Register当中数据保持在那并不立刻写入闪存介质而是等4个Plane的Cache Register都先进行数据传输完统一进行介质的写入则写4个Page只需要1.5ms50微秒×4的时间缩短了近4倍的时间。对于读操作使用Multi-Plane操作将4个不同的Plane上的Page数据在一个闪存读取时间加载到各自的Cache Register中这样可以用用一个读取时间读取4个Page的数据如果读取速度和传输速度相同为50微秒则Single Plane用时50×8400微秒Multi-Plane用时50×450250微秒。闪存的2DBlock架构如下图3-6这是一个共用一个衬底的Block(这是按块擦除的由来)GSL是地选通线BSL是串选通线WL是字线(同一Page上和所有控制栅极连接的线)将CellBL是位线(连接源极和漏极)如果是SLC则一根字线对应一个Page所以如下图有32个页读取操作:即判断浮栅晶体管中是否存在电子操作如下给串选通线和地选通线均施加高电压使其导通然后给除了要读取的字线之外的其他字线均施加10V的电压(正常电压)这个电压的作用是让其他字线对应的浮栅晶体管导通(源漏导通)然后在要读取的字线上施加阈值电压(这个电压是能够让正常无电子晶体管导通的)如果浮栅中存在电子(这些电子会抵消控制栅极的电压电势差不足以导通晶体管)则晶体管处于断开的状态在位线读出“0”(断开无电流)如果浮栅中不存在电子则晶体管属于导通的状态在位线读出“1”导通有电流从位线读出来的数据会先保存到Cache Register(页面缓存区)中去。读干扰在读的过程中未被选中的字线需要施加10v的电压来保证这些字线上的MOS管是导通的如果频繁在一个MOS观赏施加正电压就可能导致有少量的电子被吸入浮栅极最终导致比特位翻转。这个不是永久的损伤在重新擦除block之后还能够正常使用这是读操作中对同一个闪存块中的其他Page的影响。写入操作目的在浮栅极中注入电子改变其电荷状态从而改变该存储单元的阈值电压使其表示不同的逻辑状态。写入是按页写入原理如下我要将Cache Register中的数据写入到WL2上首先将串选通线施加高电压让其导通地选通线施加低电压让其截止这样位线的源-漏极就不会导通产生电流。然后把所有位线上的电压设置为0v把其他字线上的电压设置为10v让其他字线均导通接下来如果我想要在WL2的第一个Cell写入0那我需要在WL2上施加20v高电压引发隧穿效应将电子吸入到浮栅中保存这样就写入了数字“0”需要注意的是仅仅这么做会将整条字线(Page均写入“0”因为字线上的各个Cell是串在一起的。此处有两种解决方案1.沟道抑制我们只想让WL2和BL1交叉的Cell吸电子BL1的位线上保持0V那在BL2BL3BL4的位线上施加8v电压由于地选通线截止导致这三条线上的每一个位置的Cell的电压均为8V不需要写入数据的Cell的字线和位线电压相抵消。电子不动就会保持1不变。2.沟道自提升利用浮栅晶体管中天然产生的寄生电容起到抑制沟道的作用写干扰在写一个已经擦除过的block其所有的Cell的初始值是1所以写的时候只需要写“0”选中需要写的Page其他Page的所在的字线需要加10v的电压保证MOS管导通需要写的Page要加20v电压这个过程跟读干扰一样会导致不该写的Page被轻微写了同样经过擦除之后会恢复原状。擦除操作方法在源极/漏极加入较高的正电压控制栅极加入负电压形成一个反向电场。在电场的作用下浮栅极的电子通过隧穿效应被拉回到源/漏极。在衬底上施加一个足够高的电压(20v)即可完成擦除需要注意的是Block是共用一个衬底所以在擦除的时候会将整个Block上的所有浮栅晶体管全部擦除擦除之后所有的数据都变成了“1”。这就是按块擦除的由来。每个闪存Block都有擦写次数的限制这个最大擦写次数按SLC、 MLC、TLC依次递减SLC的擦写次数可达10万次MLC一般为几千 到几万次TLC降到几百到几千次。擦除干扰和闪存坏块对一个block中的MOS管擦除次数多了会导致浮栅极下面的绝缘层变薄阈值电压会发生变化最终能造成永久性损伤形成闪存坏块。当然闪存中也会存在一些先天就坏块。电荷泄漏干扰存储在Cell中的电荷如果长期不使用会发生电荷泄漏这个是非永久性损伤擦除之后闪存还能接着使用。存储单元的耦合浮栅极flash存储电荷的是导体存储单元之间存在耦合电容这会导致存储单元内的电荷发生意外的变化最终导致数据读取错误。
