MOS只讀存貯器（ROM）工作原理和讀寫過程的特征

MOS只讀存貯器（ROM）

只讀存貯器是一種存貯固定不變信息的存貯器，可以存放固定常數、固定的函數和固定的指令等等。使用時只能將這些固定的內容讀出來，而不能隨時寫入新的信息，所以稱這種存貯器為只讀存貯器。目前，這種存貯器廣泛使用在微程序序列發生器、計算機的硬編排子程序、數據表、隨機控制邏輯、譯碼器、字母或字符發生器等方面。由于ROM的線路結構比RAM簡單，因此發展比較迅速。MOS結構的ROM在半導體集成電路中占有十分重要的地位，品種也十分繁多，根據發展的過程，大致可分為掩膜編制程序ROM和可編程序ROM兩大類。

掩膜編制程序ROM是按用戶要求設計掩膜來編制程序的，程序在制造時就固定下來了。目前最引人注目的是可編程序ROM，它的寫入數據可以任意改變。當然它的重新寫入過程要比RAM困難。這種ROM大多數是利用絕緣柵場效應管的柵絕緣層能夠存貯電荷的特性來寫入信號的，但主要用于讀出，因此稱這種存貯器為主讀存貯器。另外，由于寫入數據能保持相當長的時間而不漏掉，故又稱它為不揮發存貯器。

下面將分別介紹掩膜編制程序只讀存貯器和輸出選格電層可編程序只讀存貯器邏輯陣列的結構和原理。

1、MOS掩膜編制程序ROM

這是一種最基本的只讀存貯器，由于掩膜編制程序的工作是在制造時就用掩膜固定下來的，因此數據的輸入五上好和輸出關系是不能改變的，產品一旦制成，程序就不能重新改編。這種存貯器，存貯的邏輯信息“1”和“0”，是由掩膜下晶體管導通還是截止所決定的。

圖4-11為一個4×4的MOS掩膜程序ROM。它由ROM矩陣、譯碼器、輸出選擇電路和緩沖器等幾部分組成。ROM矩陣中存放著預先編制好的內容。圖中的矩陣是由4行4列組成，如果行、列交叉處有MOS管，則表示存“1”，沒有MOS管的地方就表示存“0”。則圖中矩陣所存的內容為：

通過行譯碼器可以對行尋址，被尋址的一行上所有的MOS管都將導通，信息就傳至輸出選擇電路。但這些信息中的哪一個能夠輸出，還被輸出選擇電路控制。而輸出選擇電路可以選中矩陣中的任一單元（即行列的交叉處）。被選中單元所存的信息，經緩沖器放大后輸出。電路中輸出信息是由輸出選擇電路控制，一個接一個地輸出。這種輸出方式稱為串行輸出。

掩膜程序化ROM可以采用典型的P溝道增強型工藝來制作。圖4-12（a）所示是存貯陣列的部分結構圖。從圖中可以看出，鋁條跨過位線與地線擴散條的地方都可以構成一個MOS品體管。在擴散條之間11、12、21三塊，是用薄氧化層做成的，而其它地方都是厚氧化層。這樣，當在鋁條上加了一個脈沖以后，薄氧化層下的MOS管就導通，而厚氧化層下面的MOS管不能導通。如規定導通為“1”，不能導通為“0”。所以說，這種ROM的信息是預先做在里面的，一旦制成，存貯的內容就不變了。

實際的ROM集成度都是比較高的。根據實際需要，一般可從幾百位到幾萬位。

圖4-13是一個324位的中規模ROM方框圖，是臺式計算機的一個部件。圖中間是27行12列的324位的矩陣。左右兩邊是兩個5輸入端的譯碼器，借助兩個譯碼器可以對任意一行尋址。上部排列著6個輸出緩沖器，把讀出的信號放大后輸出。

掩膜程序化ROM由于只要一個MOS管就可作一個存貯單元，所以具有集成度高的優點；由于不要考慮寫入，所以線路結構和工藝比RAM要簡單得多，成品率較高。

2、可編程序只讀存貯器

可編程序只讀存貯器是在固定ROM的基礎上發展起來的。一般固定的ROM，由于它的存貯內容一經制定，就不能改變。這在使用中受到了一定的限制?？删幊绦蛑蛔x存貯器，其存貯內容可以根據需要來編制。如果又有新的需要時，可以將原存的內容“擦去”，再編入新的內容，這就具有更大的靈活性，應用更為廣泛。MOS型可編程序只讀存貯器從性能上可分為兩類：

①電可編程序只讀存貯器（EPROM）

這類存貯器可以用紫外線或射線照射，將存貯內容一次全部擦除，然后再寫入新的內容。

②電可改寫可編程序只讀存貯器（EAROM）

這類存貯器可以用電學方法將存貯內容逐字擦除，再重新寫入，即可逐字改寫。所以它具有RAM的功能，但寫入能量大，讀寫速度慢，特別是寫入速度慢，因此仍然用來做只讀存貯器。它比EPROM靈活方便。如果降低它的擦除和寫入能量，提高它的讀、寫速度，就可實現半導體RAM的不易失性，完全取代磁芯。

MOS型 PROM 從結構上的不同可分兩類：一類是用多晶硅徽柵電極，以薄二氧化硅層作為糖介質的浮置柵雪崩注入MOS結構（FAMOS），用這類器件可以構成EPROM。在上述基礎上發展起來的還有疊柵注入MOS結構（SIMOS），它可以構成EPROM，也可以構成EAROM。另一類是復合柵介質MOS結構，它是用氮化硅-二氧化硅或三氧化二鋁-二氧化硅的雙層材料做為介質，用鋁做金屬棚電極的MOS型器件，它們可以構成EAROM。下面將分別介紹它們的結構及工作原理。

（1）浮置柵雪崩注入MOS可編程序只讀存貯器

圖4-14（a）為這種存貯器的存貯單元，它由兩個管子組成。其中是普通的MOS管，起控制作用；是浮置漏MOS管，起存貯信息的作用。我們規定導通時為存貯信息“1”，截止時為存貯信息“0”。

大多數浮置柵雪崩注入MOS可編程序只讀存貯器的MOS管是采用P溝道工藝，浮柵用多品硅制成，懸浮在SiO2的中間，故稱浮置柵MOS管，如圖4-14（b）所示。下面介紹它的工作原理。

若源、漏均接0電平時，多晶硅浮置柵上沒有電荷，源漏之間不能導通。

若源接地，而在漏極上施加一個足夠高的負電壓，這時多品硅浮都對漏覆蓋區形成正向電位。于是漏擴散區邊條在強電場作用下，首先發生雪崩倍增效應，獲得一定動能的部分熱電子便可越過Si-SiO2界面的勢壘進入到二氧化硅中的多晶硅柵上，如圖4-15所示。由于浮棚上俘獲了電子，相當在浮柵上加一個負電壓VG（VG為負值），當|VGl>|VTl時，在柵下面的Si表面形成了反型溝道，使管子處于導通狀態，就相對應信號“1”，如果沒有發生雪崩，硅柵中沒有電荷，MOS管處于截止狀態，就相對應信號“0”。

如果多晶硅與硅襯底間的SiO3層為100nm，材料襯底的電阻率為5~8Ω●cm時，漏與襯底之間的PN結約在-30V即發生雪崩倍增效應。這時對浮柵的充電電流可達10^-7A/cm²數量級。傳輸到浮柵上的電荷量與所加的電壓大小和持續時間有關。如，在10ms左右注入到浮柵中的電子可達4×10¹²個/cm²電子注入到多晶硅柵以后，由于受到散射而尖去了能量，電子就穩定地停留在硅柵上，而且能長久保持下去。有人做了實驗，在125℃下，70%信息電荷可保持10年之久。

如果需要將所存的信息電荷消除掉，就要給電子能量，使電子跳過二氧化硅勢壘金，回到Si襯底里去。用紫外光照射存貯器，浮柵上的電子得到光子能量以后，可以穿過SiO2勢壘，返回到Si襯底?；蛘呖捎?span style="font-size: 18px;">射線照射。如果射線的能量大于二氧化硅禁寬度時，可以產生電子空穴對，空穴進入浮柵，中和了其中的電子，實現了將原信號擦除的功能。這種清除信號電荷的方法稱為光清除，如圖4-16所示。

雖然電路在使用過程中，會受到大氣中各種射線的輻射，但由于這種輻射的劑量是很小的，所以不會影響它的存貯功能。

圖4-17（a）為FAMOS 只讀存貯器N行M列存貯矩陣的電路圖，（b）為它讀寫控制線路。下面簡要介紹它的讀寫方法。

當要寫入時，VDD接較大的負電壓（如-45V），同時加寫入控制電壓Vp，使Tp管導通。若寫入“1”，在輸入端加寫“1”電壓，使導通，并在選擇線上施加負電壓，使存貯單元中導通。這時較大的負電壓VDD就通過加到管的漏極，使之發生雪崩擊穿，并將熱電子注入到浮柵中去。這樣，“1”就寫入單元。若要寫入“0”，使管保持截止，負電壓VDD就加不到被選中的單元FAMOS管上，沒有電荷注入。在寫入時，片選信號使讀放電路不工作，也就是只可寫入，不可讀出。

在讀出時，管均截止，并施加較小的電源電壓VDD（約-15V），這時負載管和存貯單元組成一個門電路，如果片選信號使讀放電路導通，則單元中所存的信號，就可通過讀放電路讀出來。

（2）疊柵注入MOS可編程序只讀存貯器

浮置柵型的存貯器不能用電的方法擦除所存貯的信息，使用不太方便。因而進一步發展了重疊柵結構的MOS只讀存貯器，這種器件能夠用電的方法清除及編寫程序。它不僅可以做成可擦除可編程序只讀存貯器（EPROM），而且可以構成電可改寫的可編程序只讀存貯器（EAROM）。

①基本原理圖

4-18為疊柵MOS的基本結柵，這是用P型襯底做成的N溝道器件。與FAMOS器件不同的是在硅柵上面多了一層控制棚電極。下面的浮置柵與FAMOS器件的作用相同，起存貯信號電荷的作用；上面的控制柵與譯碼器連接，在進行讀出、編程序和擦除時起選擇單元的作用。存貯單元只用一個疊柵MOS管，這使電路的集成度得到進一步提高。

這種結構的器件，其浮柵中的電子注入不是由雪崩倍增效應完成，而是靠“溝道注入”完成的。所謂溝道注入，就是在漏和源之間加足夠高的電壓，使電子被高電場加速成為熱電子，當能量超過二氧化硅-硅界面勢壘高度時，借助于控制柵上的附加正電壓，電子從溝道中直接注入到浮柵中去。為了達到足夠高的溝道電場，溝道長度要足夠短。通常源漏電壓為20V時，溝道長度要小于。

單元中存貯何種信號，要根據浮柵中有無電荷來確定。而浮柵中有無電荷直接影響著控制柵上閥電壓的改變。很容易理解，當浮柵上沒有電子電荷時，對溝道不產生什么影響，器件的商電壓較小，但當浮柵上停獲了大量電子電荷以后，形成的負電場將使柵下面的P型在表層成為富集，就使器件的閾電壓提高很多。如令分別代表浮柵上有無電荷時的閱電壓，于是就可以通過閾電壓的大小來判別單元中所存的信息。這種器件的擦除也可用紫外光照射來實現。

② 改進的EAROM的讀出、擦除操作

圖4-19為實際使用改進的EAROM存貯單元的疊柵MOS器件，它與上述基本結構略有不同。這樣的改進是為了實現電可改寫。它既每一次全部擦除，也可逐字選擇擦除。它的浮柵沒有完全覆蓋所有的溝道區，而在溝道以外的源上面還有一小部覆蓋區。這一覆蓋區是為了擦除數據用的，它下面的氧化層較薄，約為40~50nm，稱為擦除區?？刂茤乓徊糠峙c浮柵重疊，另一部分覆蓋在未被浮柵覆蓋的區域。

下面簡要介紹編程序、讀出和擦除的操作過程。

圖4-20為BAROM的存貯矩陣。圖中線接控制柵，選擇線接漏極，編程序時全部的源接地電位，擦除時全部的源接擦除電位。

a.編程序操作

將全部器件的源極接地，被選單元控制柵和漏極接足夠大的編程電壓，使溝道中產生可以越過二氧化硅-硅勢壘的熱電子向浮柵注入。從而使疊柵MOS的閥電壓向大的方向漂移，如從1V增至10V。這就在單元中編入了信號“1”。圖4-19所示器件中，漏斗形溝道可以增加潴附近的電流密度，以提高注入效率。如果浮柵中沒有電荷，控制柵的等效閥電壓，就認為單元中存的信號“0”。

b.讀出操作

在被選中單元的選擇線（控制柵）上，加上讀出電壓，并滿足。這時處于未編程序（“0”狀）的被選單元導通，就有電流流過位線，而已編程序（“1”狀態）的被選單元處于截止狀態，沒有電流流過位線，就可以區別出存貯器中所存的數據。

2、擦除操作

擦除一般可以用兩種機理來完成。即中和掉浮柵中的電子，或直接將浮柵中的電子發射出來。電擦除的方法沒有光擦除那樣的“自限制”作用，會產生過渡補償（即浮柵上帶正電荷）的情況。但由于疊柵MOS管有一部分溝道不受浮棚控制，所以晶體管不會出現耗盡型。

若對整個陣列進行字組擦除時，擦除電壓加在共源線S上，所有字線都接地，電子可以通過很薄的氧化層直接發射到源極去。如果進行選擇單元擦除、被選單元的字線接地，所有未被選的單元字線加25V正電壓。擦除電壓通過譯碼器加在被選單元的位線（即漏極上），通過選擇線的交叉重合，實現選擇擦除。為了防止未被選中的單元產生溝道電荷，共源線S要處于懸浮狀態。

（3）MIOS型電可編程序只讀存貯器

MIOS型電可編程序只讀存貯器，其存貯器件是由金屬-絕緣層-二氧化硅-硅組成的。絕緣層目前采用兩種材料。若采用時，這種存貯器件就稱為MNOS型不揮發存貯器；采用為絕緣介質時，就稱為MAOS型不揮發存貯器。一般MNOS結構的村底采用N型Si，面MAOS結構的襯底采用P型Si，如圖4-21所示。

這種器件與普通的雙層絕緣介質場效應晶體管的差別在于SiO。薄膜的厚度很薄，只有二至幾個nm。MIOS型存貯器是利用一定的柵壓作用于Si表面，使硅中載流子以一定的隧道效應穿過薄的SiO2，并存貯于或界面的陷阱中，實現閾電壓的改變，從而達到存貯信息的目的。下面以MNOS可編程序只讀存貯器為例，來說明其寫入、讀出工作原理。

在圖4-21（a）中，當襯底和柵接地，源和漏接相同的負電位時，使源、漏結處發生表面擊穿。由此產生的雪崩電流使柵下面村底的電位與漏源一樣。于是，襯底中的電子由于隧道效應而通過薄二氧化硅并進入氮化硅，由于界面和體內存在密度較高的陷阱，因此，電子就存貯在陷阱內。由于在柵介質中有了負電荷，使閥電壓向正方向移動，通常稱這個過程為寫“0”，此時的閥值電壓用VTO表示。相反，當源和漏為地電位，柵接負電壓時，電子就從柵介質中發射到襯底，閥電壓向負方向移動，稱這過程為寫“1”，閥電壓用表示。圖4-22表示MNOS器件的I-V 特性。其中第一根線代表存貯“0”信號，第二根線代表存貯“1”信號。

圖4-23為由MNOS器件組成的EAROM矩陣。每個存貯單元由三只管子組成，中間是MNOM管，兩邊各串聯一個普通MOS管。它們的柵都接至譯碼器，作為選擇控制管。

①寫入操作如要將“0”寫入（1、2）單元，在線上加負電位（-35V），其它線都接地電位。這時第（1、2）單元中的兩支MOS管導通，使MNOS管的源和漏分別與S2和D2線接通，并產生雪崩。熱電子便通過隧道效應注入界面和中，使管子的閥電壓向正方向移動，“0”就存入其中。若要寫“1”，可在線上接負偏壓，其余各線接地。這時（1、2）單元中MNOS管的源漏與和線接通為地電位。氮化硅中被陷的電子便通過隧道效應發射到硅襯底中去，使管子的閥電壓向負方向移動，“1”就寫入單元。

②讀出操作在線上加負電壓，使兩個MOS管導通，在線上加讀出電壓，即可讀出所存的信號。

MAOS可編程序只讀存貯器的工作原理與MNOS類似，其不同點是中一般存在較多的受主型電子陷阱。所以不論柵極加正電壓還是負電壓，界面處只能引起負電荷的存貯。一般在柵上加正脈沖時，電荷存貯過程基本上與MNOS器件相同。即在柵上加正脈沖時，就有電子電荷存貯。相反，當柵上加負脈沖時，電子回到Si的表面，電荷就被清除。另一種情況，當柵極加負脈沖時，也有可能造成電子注入（從金屬柵向陷阱注入電子），但當負柵壓增大到一定時，SiO2層中的電場變強，陷阱中的電子將被驅趕，穿過SiO2層，進入Si體內，使信號清除。

上面我們對浮柵型和雙介質型兩種存貯器分別作了介紹，下面對它們的異同再作些比較。它們的共同點都是不揮發存貯器，工作原理是類似的，都是通過將電荷注入介質膜中，由這些存貯電荷來改變器件的閥值電壓，而又以不同的閥值電壓來表示不同存貯信號，達到完成存貯的功能。但兩者相比；有以下幾點主要區別：

①信號電荷存貯的位置不同 

浮柵型器件電荷存貯于介質中的浮柵上，而雙介質型器件電荷主要存貯于兩種不同介質交界處的陷阱中。例如在的界面處都存在著大量的載流子陷阱。這些界面陷阱就是載流子存貯的場所。

②電荷注入和清除機理不同 

浮柵型器件主要通過雪崩擊穿來實現熱載流子的注入，而雙介質型器件主要通過超薄SiO2層（2~4nm）的載流子隧道效應，將電荷注入到兩介質界面處的陷阱中。

③寫入能量、速度及信號的保持時間不同

由于浮柵型器件的浮柵下面SiO2層比較厚，故寫入能量較高，寫入速度較慢，但信息保持時間較長，又由于采用了硅柵自對準工藝，故讀出速度較快，與普通MOS管相近；而雙介質型器件在下面的SiO2特別薄，因此寫入能量低，寫入速度快，但信號保持時間不如浮柵型存貯器長；又因為不易采用自對準技術，故讀出速度較慢。特別是耐久性要比浮柵型低四~五個數量級。

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