技术复盘:车规MCU的eFlash原理

lichengwan

目录

1.Flash基本原理概述

1.1 Non-volatile Memory的分类

1.2 Flash编程\擦除原理

1.3 NOR\NAND Flash

2.eFlash在先进制程中的挑战

3.小结

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1.Flash基本原理概述

1.1 Non-volatile Memory的分类

Flash在嵌入式领域是非常重要的角色，主要用于存储数据代码，为代码的执行提供基础保证等。实际上，Flash只是Non-volatile Memory中的一个分支，根据《Embedded Flash Memory for Embedded Systems》整理，嵌入式领域的非易失性存储器分为ROM、EEPROM、Flash等，如下图所示：

Mask ROM是在芯片掩膜阶段写入数据或者代码，对于MCU来说最常见就是启动代码，例如英飞凌的BootRom，一旦写入，用户就无法进行修改；OTP类似Mask ROM，可以由用户写入敏感数据等，例如密钥、设备独有信息等；EPROM(Electrically Programmable ROM)：按字节编程，但不能擦除；EEPROM(Electrically Erasable and Programmable ROM)：按字节擦写，成本较高；Flash则是软件开发人员最常接触到的存储器之一，它根据存储单元的结构分为浮栅型、电子捕获型等。

1.2 Flash编程\擦除原理

以浮栅型Flash为例，它基本存储单位为bit，其存储物理结构叫做cell，这个Cell其实就是一个带浮栅的MOSFET，如下所示：

可以看到，浮栅晶体管在控制栅极(CG)下的绝缘层(Gate Oxide)新增了一层浮栅极(FG)，用于保存电子。一般情况下，源极和漏极里有电子，但是因为它们之间有缺电子的P型材料，因此没法流通。如果此时我们给CG和漏极施加正电压，源极接地，如下图：

电子就会迅速从源极流向漏极，同时由于CG电压更大，一部分电子通过隧穿效应(Quantum Tunneling Effect)通过隧道氧化层进入到FG，如下图：

这种情况下即使正电压被移除，电子也会因为隧道氧化层的绝缘作用保存在FG里，这种状态我们说晶体管存储了一个0，表示被编程了。当我们想要擦除的时候，则在CG施加反向电压，如下：

在这种状态下，电子会被排斥并通过隧道氧化层回到P-Well中，这种状态对应“1”，即擦除状态。

这里我们提高了隧穿效应，所谓量子隧穿效应，即很多粒子冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能通过一个隧道穿过势垒，如下图，这个隧道称作“量子隧道（quantum tunneling）”。

实际上，针对浮栅型Cell的Flash来说，编程常用CHE、FN、SSI等三种方式进行操作，如下图：

CHE：通过对CG和源施加高的电压，电子在源侧经过水平高电场加速，通过垂直高电场注入到FG，这种情况编程电流相对大；FN：隧穿效应，如上所示；SSI：该方式需要在源极施加高电压，CF和漏极电压较低，从而容易在FG和CG之间的间隙区域诱导出更高的电场。由于水平电场和垂直电场在间隙区都具有最大的场强，因此在间隙区可以高效率地产生热电子并注入到FG中。

1.3 NOR\NAND Flash

在了解了Flash Cell的基本原理后，我们来看看目前市面上常见的存储器类型。按照架构分为两类：NOR(或非) Flash和NAND(与非) Flash，具体如下。

我们把1.2节里的CG、Drain和Source分别对应WL(Worl Line)、BL(Bit Line)和SL(Source Line)，可以明显发现NOR Flash中每个Cell均为并行连接，只要有一个WL拉高，对应的BL就会拉低，因此叫做NOR；NAND Flash则把所有Cell串联起来，必须所有的WL 拉高，BL才会拉低，因此叫做NAND。通常根据厂家不同，WL下挂的所有Cell组成一个Page，多个WL组成一个logic Block(也叫logic sector)，多个logic sector组成一个物理Block（也叫Bank）。如下：

可以看到，在Flash读的效率上，由于NOR Flash的并行连接，因此具备更好的随机访问能力（可以快速读某个bit），而NAND Flash的访问必须要先读取Page，效率较低。在擦写操作上，NOR Flash擦除只能在块的基础上执行，而写过程可以每次在单个字节或单字上执行，而NAND Flash要求在写入新数据之前先以块的形式擦除数据。因此，我们可以发现NOR Flash和NAND Flash经常应用在不同场景：

NOR Flash：MCU代码存储和执行，需要高速随机访问能力；NAND Flash：适合大容量存储，代码需要拷贝至RAM运行。

事实上，我们上述仅仅讨论的是浮栅型技术路线。AMD、东芝、三星一直致力于电荷捕获型(Charge Trap)技术路线。这里没有具体研究，就不谈了。

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2.eFlash在先进制程中的挑战

车规MCU的eFlash由于需要存放和执行代码，因此通常均为NOR Flash架构；随着车规MCU的性能要求越来越高，大厂开始尝试使用先进制程，但在推进的过程中，可以很容易定位到Flash的稳定性与工艺之间有一个比较大的矛盾。我们知道，NOR Flash是由WL和BL交织组成，每个交织点表示一个Cell存放电子。如下：

存放电子的实体是浮栅，它与P-Well之间的隧道氧化层是保证电子不出现逃逸的重要组成，一旦制程变小，该绝缘层相应就会变得更小，这就更容易出现电子逃逸的情况，这是eFlash往先进制程迈进的桎梏之一；其次，随着制程的缩小，cell之间的距离也越来越近，两个相近的绝缘体之间构成电容，所以一个存储单元Cell会与周边Cell形成耦合电容，这就会影响其他Cell的电荷大小，会导致存储单元“写不准”、“读不准”，因为我们不知道一个存储单元的Vt中，究竟有多少成分是隶属于周边浮栅的耦合效应，又有多少是存储单元真实的Vt，这样也就更容易出现Flash位翻转问题。

最后回到制程缩小导致的浮栅尺寸缩小，那自然保持电荷的能力也会进一步下降；此外如何考虑功耗、散热以及最重要的成本问题，目前也没有看到比较成熟的eFlash先进制程解决方案。

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3.小结

本文主要分析了Flash的分类，利用易于理解的隧穿效应来解释了Flash的基本原理。事实上，随着eFlash逐渐逼近物理极限，我们可以看到各大MCU厂商正在寻找其他的存储解决方案，例如PCM(Phase-Change Memory)：相变存储器、STT-MRAM(Spin-Transfer Torque )：嵌入式自旋转移矩磁阻RAM、RRAM(Resistive RAM)：电阻随机存储器。而eFlash是否会退出历史舞台？我们拭目以待！就酱，债见！

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