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技术复盘:车规MCU的eFlash原理

汽车MCU软件设计 · 公众号 · · 2024-03-25 18:15

正文

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

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。

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。

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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