MOS只读存贮器（ROM）工作原理和读写过程的特征

MOS只读存贮器（ROM）

只读存贮器是一种存贮固定不变信息的存贮器，可以存放固定常数、固定的函数和固定的指令等等。使用时只能将这些固定的内容读出来，而不能随时写入新的信息，所以称这种存贮器为只读存贮器。目前，这种存贮器广泛使用在微程序序列发生器、计算机的硬编排子程序、数据表、随机控制逻辑、译码器、字母或字符发生器等方面。由于ROM的线路结构比RAM简单，因此发展比较迅速。MOS结构的ROM在半导体集成电路中占有十分重要的地位，品种也十分繁多，根据发展的过程，大致可分为掩膜编制程序ROM和可编程序ROM两大类。

掩膜编制程序ROM是按用户要求设计掩膜来编制程序的，程序在制造时就固定下来了。目前最引人注目的是可编程序ROM，它的写入数据可以任意改变。当然它的重新写入过程要比RAM困难。这种ROM大多数是利用绝缘栅场效应管的栅绝缘层能够存贮电荷的特性来写入信号的，但主要用于读出，因此称这种存贮器为主读存贮器。另外，由于写入数据能保持相当长的时间而不漏掉，故又称它为不挥发存贮器。

下面将分别介绍掩膜编制程序只读存贮器和输出选格电层可编程序只读存贮器逻辑阵列的结构和原理。

1、MOS掩膜编制程序ROM

这是一种最基本的只读存贮器，由于掩膜编制程序的工作是在制造时就用掩膜固定下来的，因此数据的输入五上好和输出关系是不能改变的，产品一旦制成，程序就不能重新改编。这种存贮器，存贮的逻辑信息“1”和“0”，是由掩膜下晶体管导通还是截止所决定的。

图4-11为一个4×4的MOS掩膜程序ROM。它由ROM矩阵、译码器、输出选择电路和缓冲器等几部分组成。ROM矩阵中存放着预先编制好的内容。图中的矩阵是由4行4列组成，如果行、列交叉处有MOS管，则表示存“1”，没有MOS管的地方就表示存“0”。则图中矩阵所存的内容为：

通过行译码器可以对行寻址，被寻址的一行上所有的MOS管都将导通，信息就传至输出选择电路。但这些信息中的哪一个能够输出，还被输出选择电路控制。而输出选择电路可以选中矩阵中的任一单元（即行列的交叉处）。被选中单元所存的信息，经缓冲器放大后输出。电路中输出信息是由输出选择电路控制，一个接一个地输出。这种输出方式称为串行输出。

掩膜程序化ROM可以采用典型的P沟道增强型工艺来制作。图4-12（a）所示是存贮阵列的部分结构图。从图中可以看出，铝条跨过位线与地线扩散条的地方都可以构成一个MOS品体管。在扩散条之间11、12、21三块，是用薄氧化层做成的，而其它地方都是厚氧化层。这样，当在铝条上加了一个脉冲以后，薄氧化层下的MOS管就导通，而厚氧化层下面的MOS管不能导通。如规定导通为“1”，不能导通为“0”。所以说，这种ROM的信息是预先做在里面的，一旦制成，存贮的内容就不变了。

实际的ROM集成度都是比较高的。根据实际需要，一般可从几百位到几万位。

图4-13是一个324位的中规模ROM方框图，是台式计算机的一个部件。图中间是27行12列的324位的矩阵。左右两边是两个5输入端的译码器，借助两个译码器可以对任意一行寻址。上部排列着6个输出缓冲器，把读出的信号放大后输出。

掩膜程序化ROM由于只要一个MOS管就可作一个存贮单元，所以具有集成度高的优点；由于不要考虑写入，所以线路结构和工艺比RAM要简单得多，成品率较高。

2、可编程序只读存贮器

可编程序只读存贮器是在固定ROM的基础上发展起来的。一般固定的ROM，由于它的存贮内容一经制定，就不能改变。这在使用中受到了一定的限制。可编程序只读存贮器，其存贮内容可以根据需要来编制。如果又有新的需要时，可以将原存的内容“擦去”，再编入新的内容，这就具有更大的灵活性，应用更为广泛。MOS型可编程序只读存贮器从性能上可分为两类：

①电可编程序只读存贮器（EPROM）

这类存贮器可以用紫外线或射线照射，将存贮内容一次全部擦除，然后再写入新的内容。

②电可改写可编程序只读存贮器（EAROM）

这类存贮器可以用电学方法将存贮内容逐字擦除，再重新写入，即可逐字改写。所以它具有RAM的功能，但写入能量大，读写速度慢，特别是写入速度慢，因此仍然用来做只读存贮器。它比EPROM灵活方便。如果降低它的擦除和写入能量，提高它的读、写速度，就可实现半导体RAM的不易失性，完全取代磁芯。

MOS型 PROM 从结构上的不同可分两类：一类是用多晶硅徽栅电极，以薄二氧化硅层作为糖介质的浮置栅雪崩注入MOS结构（FAMOS），用这类器件可以构成EPROM。在上述基础上发展起来的还有叠栅注入MOS结构（SIMOS），它可以构成EPROM，也可以构成EAROM。另一类是复合栅介质MOS结构，它是用氮化硅-二氧化硅或三氧化二铝-二氧化硅的双层材料做为介质，用铝做金属棚电极的MOS型器件，它们可以构成EAROM。下面将分别介绍它们的结构及工作原理。

（1）浮置栅雪崩注入MOS可编程序只读存贮器

图4-14（a）为这种存贮器的存贮单元，它由两个管子组成。其中是普通的MOS管，起控制作用；是浮置漏MOS管，起存贮信息的作用。我们规定导通时为存贮信息“1”，截止时为存贮信息“0”。

大多数浮置栅雪崩注入MOS可编程序只读存贮器的MOS管是采用P沟道工艺，浮栅用多品硅制成，悬浮在SiO2的中间，故称浮置栅MOS管，如图4-14（b）所示。下面介绍它的工作原理。

若源、漏均接0电平时，多晶硅浮置栅上没有电荷，源漏之间不能导通。

若源接地，而在漏极上施加一个足够高的负电压，这时多品硅浮都对漏覆盖区形成正向电位。于是漏扩散区边条在强电场作用下，首先发生雪崩倍增效应，获得一定动能的部分热电子便可越过Si-SiO2界面的势垒进入到二氧化硅中的多晶硅栅上，如图4-15所示。由于浮棚上俘获了电子，相当在浮栅上加一个负电压VG（VG为负值），当|VGl>|VTl时，在栅下面的Si表面形成了反型沟道，使管子处于导通状态，就相对应信号“1”，如果没有发生雪崩，硅栅中没有电荷，MOS管处于截止状态，就相对应信号“0”。

如果多晶硅与硅衬底间的SiO3层为100nm，材料衬底的电阻率为5~8Ω●cm时，漏与衬底之间的PN结约在-30V即发生雪崩倍增效应。这时对浮栅的充电电流可达10^-7A/cm²数量级。传输到浮栅上的电荷量与所加的电压大小和持续时间有关。如，在10ms左右注入到浮栅中的电子可达4×10¹²个/cm²电子注入到多晶硅栅以后，由于受到散射而尖去了能量，电子就稳定地停留在硅栅上，而且能长久保持下去。有人做了实验，在125℃下，70%信息电荷可保持10年之久。

如果需要将所存的信息电荷消除掉，就要给电子能量，使电子跳过二氧化硅势垒金，回到Si衬底里去。用紫外光照射存贮器，浮栅上的电子得到光子能量以后，可以穿过SiO2势垒，返回到Si衬底。或者可用射线照射。如果射线的能量大于二氧化硅禁宽度时，可以产生电子空穴对，空穴进入浮栅，中和了其中的电子，实现了将原信号擦除的功能。这种清除信号电荷的方法称为光清除，如图4-16所示。

虽然电路在使用过程中，会受到大气中各种射线的辐射，但由于这种辐射的剂量是很小的，所以不会影响它的存贮功能。

图4-17（a）为FAMOS 只读存贮器N行M列存贮矩阵的电路图，（b）为它读写控制线路。下面简要介绍它的读写方法。

当要写入时，VDD接较大的负电压（如-45V），同时加写入控制电压Vp，使Tp管导通。若写入“1”，在输入端加写“1”电压，使导通，并在选择线上施加负电压，使存贮单元中导通。这时较大的负电压VDD就通过加到管的漏极，使之发生雪崩击穿，并将热电子注入到浮栅中去。这样，“1”就写入单元。若要写入“0”，使管保持截止，负电压VDD就加不到被选中的单元FAMOS管上，没有电荷注入。在写入时，片选信号使读放电路不工作，也就是只可写入，不可读出。

在读出时，管均截止，并施加较小的电源电压VDD（约-15V），这时负载管和存贮单元组成一个门电路，如果片选信号使读放电路导通，则单元中所存的信号，就可通过读放电路读出来。

（2）叠栅注入MOS可编程序只读存贮器

浮置栅型的存贮器不能用电的方法擦除所存贮的信息，使用不太方便。因而进一步发展了重叠栅结构的MOS只读存贮器，这种器件能够用电的方法清除及编写程序。它不仅可以做成可擦除可编程序只读存贮器（EPROM），而且可以构成电可改写的可编程序只读存贮器（EAROM）。

①基本原理图

4-18为叠栅MOS的基本结栅，这是用P型衬底做成的N沟道器件。与FAMOS器件不同的是在硅栅上面多了一层控制棚电极。下面的浮置栅与FAMOS器件的作用相同，起存贮信号电荷的作用；上面的控制栅与译码器连接，在进行读出、编程序和擦除时起选择单元的作用。存贮单元只用一个叠栅MOS管，这使电路的集成度得到进一步提高。

这种结构的器件，其浮栅中的电子注入不是由雪崩倍增效应完成，而是靠“沟道注入”完成的。所谓沟道注入，就是在漏和源之间加足够高的电压，使电子被高电场加速成为热电子，当能量超过二氧化硅-硅界面势垒高度时，借助于控制栅上的附加正电压，电子从沟道中直接注入到浮栅中去。为了达到足够高的沟道电场，沟道长度要足够短。通常源漏电压为20V时，沟道长度要小于。

单元中存贮何种信号，要根据浮栅中有无电荷来确定。而浮栅中有无电荷直接影响着控制栅上阀电压的改变。很容易理解，当浮栅上没有电子电荷时，对沟道不产生什么影响，器件的商电压较小，但当浮栅上停获了大量电子电荷以后，形成的负电场将使栅下面的P型在表层成为富集，就使器件的阈电压提高很多。如令分别代表浮栅上有无电荷时的阅电压，于是就可以通过阈电压的大小来判别单元中所存的信息。这种器件的擦除也可用紫外光照射来实现。

② 改进的EAROM的读出、擦除操作

图4-19为实际使用改进的EAROM存贮单元的叠栅MOS器件，它与上述基本结构略有不同。这样的改进是为了实现电可改写。它既每一次全部擦除，也可逐字选择擦除。它的浮栅没有完全覆盖所有的沟道区，而在沟道以外的源上面还有一小部覆盖区。这一覆盖区是为了擦除数据用的，它下面的氧化层较薄，约为40~50nm，称为擦除区。控制栅一部分与浮栅重叠，另一部分覆盖在未被浮栅覆盖的区域。

下面简要介绍编程序、读出和擦除的操作过程。

图4-20为BAROM的存贮矩阵。图中线接控制栅，选择线接漏极，编程序时全部的源接地电位，擦除时全部的源接擦除电位。

a.编程序操作

将全部器件的源极接地，被选单元控制栅和漏极接足够大的编程电压，使沟道中产生可以越过二氧化硅-硅势垒的热电子向浮栅注入。从而使叠栅MOS的阀电压向大的方向漂移，如从1V增至10V。这就在单元中编入了信号“1”。图4-19所示器件中，漏斗形沟道可以增加潴附近的电流密度，以提高注入效率。如果浮栅中没有电荷，控制栅的等效阀电压，就认为单元中存的信号“0”。

b.读出操作

在被选中单元的选择线（控制栅）上，加上读出电压，并满足。这时处于未编程序（“0”状）的被选单元导通，就有电流流过位线，而已编程序（“1”状态）的被选单元处于截止状态，没有电流流过位线，就可以区别出存贮器中所存的数据。

2、擦除操作

擦除一般可以用两种机理来完成。即中和掉浮栅中的电子，或直接将浮栅中的电子发射出来。电擦除的方法没有光擦除那样的“自限制”作用，会产生过渡补偿（即浮栅上带正电荷）的情况。但由于叠栅MOS管有一部分沟道不受浮棚控制，所以晶体管不会出现耗尽型。

若对整个阵列进行字组擦除时，擦除电压加在共源线S上，所有字线都接地，电子可以通过很薄的氧化层直接发射到源极去。如果进行选择单元擦除、被选单元的字线接地，所有未被选的单元字线加25V正电压。擦除电压通过译码器加在被选单元的位线（即漏极上），通过选择线的交叉重合，实现选择擦除。为了防止未被选中的单元产生沟道电荷，共源线S要处于悬浮状态。

（3）MIOS型电可编程序只读存贮器

MIOS型电可编程序只读存贮器，其存贮器件是由金属-绝缘层-二氧化硅-硅组成的。绝缘层目前采用两种材料。若采用时，这种存贮器件就称为MNOS型不挥发存贮器；采用为绝缘介质时，就称为MAOS型不挥发存贮器。一般MNOS结构的村底采用N型Si，面MAOS结构的衬底采用P型Si，如图4-21所示。

这种器件与普通的双层绝缘介质场效应晶体管的差别在于SiO。薄膜的厚度很薄，只有二至几个nm。MIOS型存贮器是利用一定的栅压作用于Si表面，使硅中载流子以一定的隧道效应穿过薄的SiO2，并存贮于或界面的陷阱中，实现阈电压的改变，从而达到存贮信息的目的。下面以MNOS可编程序只读存贮器为例，来说明其写入、读出工作原理。

在图4-21（a）中，当衬底和栅接地，源和漏接相同的负电位时，使源、漏结处发生表面击穿。由此产生的雪崩电流使栅下面村底的电位与漏源一样。于是，衬底中的电子由于隧道效应而通过薄二氧化硅并进入氮化硅，由于界面和体内存在密度较高的陷阱，因此，电子就存贮在陷阱内。由于在栅介质中有了负电荷，使阀电压向正方向移动，通常称这个过程为写“0”，此时的阀值电压用VTO表示。相反，当源和漏为地电位，栅接负电压时，电子就从栅介质中发射到衬底，阀电压向负方向移动，称这过程为写“1”，阀电压用表示。图4-22表示MNOS器件的I-V 特性。其中第一根线代表存贮“0”信号，第二根线代表存贮“1”信号。

图4-23为由MNOS器件组成的EAROM矩阵。每个存贮单元由三只管子组成，中间是MNOM管，两边各串联一个普通MOS管。它们的栅都接至译码器，作为选择控制管。

①写入操作如要将“0”写入（1、2）单元，在线上加负电位（-35V），其它线都接地电位。这时第（1、2）单元中的两支MOS管导通，使MNOS管的源和漏分别与S2和D2线接通，并产生雪崩。热电子便通过隧道效应注入界面和中，使管子的阀电压向正方向移动，“0”就存入其中。若要写“1”，可在线上接负偏压，其余各线接地。这时（1、2）单元中MNOS管的源漏与和线接通为地电位。氮化硅中被陷的电子便通过隧道效应发射到硅衬底中去，使管子的阀电压向负方向移动，“1”就写入单元。

②读出操作在线上加负电压，使两个MOS管导通，在线上加读出电压，即可读出所存的信号。

MAOS可编程序只读存贮器的工作原理与MNOS类似，其不同点是中一般存在较多的受主型电子陷阱。所以不论栅极加正电压还是负电压，界面处只能引起负电荷的存贮。一般在栅上加正脉冲时，电荷存贮过程基本上与MNOS器件相同。即在栅上加正脉冲时，就有电子电荷存贮。相反，当栅上加负脉冲时，电子回到Si的表面，电荷就被清除。另一种情况，当栅极加负脉冲时，也有可能造成电子注入（从金属栅向陷阱注入电子），但当负栅压增大到一定时，SiO2层中的电场变强，陷阱中的电子将被驱赶，穿过SiO2层，进入Si体内，使信号清除。

上面我们对浮栅型和双介质型两种存贮器分别作了介绍，下面对它们的异同再作些比较。它们的共同点都是不挥发存贮器，工作原理是类似的，都是通过将电荷注入介质膜中，由这些存贮电荷来改变器件的阀值电压，而又以不同的阀值电压来表示不同存贮信号，达到完成存贮的功能。但两者相比；有以下几点主要区别：

①信号电荷存贮的位置不同 

浮栅型器件电荷存贮于介质中的浮栅上，而双介质型器件电荷主要存贮于两种不同介质交界处的陷阱中。例如在的界面处都存在着大量的载流子陷阱。这些界面陷阱就是载流子存贮的场所。

②电荷注入和清除机理不同 

浮栅型器件主要通过雪崩击穿来实现热载流子的注入，而双介质型器件主要通过超薄SiO2层（2~4nm）的载流子隧道效应，将电荷注入到两介质界面处的陷阱中。

③写入能量、速度及信号的保持时间不同

由于浮栅型器件的浮栅下面SiO2层比较厚，故写入能量较高，写入速度较慢，但信息保持时间较长，又由于采用了硅栅自对准工艺，故读出速度较快，与普通MOS管相近；而双介质型器件在下面的SiO2特别薄，因此写入能量低，写入速度快，但信号保持时间不如浮栅型存贮器长；又因为不易采用自对准技术，故读出速度较慢。特别是耐久性要比浮栅型低四~五个数量级。

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