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纳米晶存储器中的高压产生系统设计

作　者: 丁川
导　师: 应建华
学　校: 华中科技大学
专　业: 半导体芯片设计与工艺
关键词: 纳米晶存储器高压产生系统电荷泵效率优化试验设计方法
分类号: TN47
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

近半个世纪以来,Flash存储器以其高集成度、高可靠性的特点,快速成为半导体存储器市场中发展最为迅速的一种。在此基础上发展而来的纳米晶存储器(Nano-Crystal Memory, NCM)进一步提高了存储密度,加上与CMOS工艺良好的兼容性,使得对纳米晶存储器的研究具有巨大的科学和产业价值。另一方面,降低电源电压从而实现低功耗已成为超大规模集成电路发展的一个重要方向,然而为了实现对纳米晶存储单元的正确操作,必须用较高的电压来维持足够高的电场,从而使得纳米晶存储器中的高压电路系统成为影响存储器性能的关键。本论文为中国科学院微电子研究所三室一款8Mbits纳米晶存储器芯片设计中的一部分,芯片工艺基于上海宏利半导体公司(GSMC)2P3M纳米晶工艺和标准0.13um CMOS嵌入式存储器工艺。本文首先对纳米晶存储器的工作原理进行了介绍,针对纳米晶存储器的操作方法,提出了高压电路系统在整个存储器芯片中的架构和作用,接着对高压产生电路作了详细的阐述和分析。纳米晶存储器芯片系统中包括四个电荷泵系统,产生三种类型的高压,以提供芯片操作所需要的正高压或负高压。电荷泵系统主要由振荡器、四相位时钟产生电路、电荷泵核心电路以及稳压电路构成。论文针对电荷泵核心电路的工作原理,通过比较常用电荷泵电路的性能,选取了一种最为高效的电路结构,然后针对芯片系统的要求,详细具体的阐述了正、负高压电荷泵核心电路的设计过程。此外,还对时钟产生电路以及稳压电路设计做了具体介绍。系统仿真显示,在最坏工作情况下,各种电荷泵系统在满足输出电压幅度符合系统要求的情况下,输出电压上升时间都小于15μs,输出电压纹波都基本小于100mV,电流驱动能力都强于系统要求的100μA(7.5V电荷泵系统和-4.5V电荷泵系统)或20μA(2.5V电荷泵系统)。其次,由于整个存储器芯片的操作都直接由电荷泵输出电压进行供电,因此,电荷泵的效率对整个芯片的功耗将产生很大影响。针对电荷泵效率优化的重要性,本文提出了一种基于数理统计学的高效、快速、准确的电荷泵效率优化方法。试验结果表明,此方法在较为简洁的试验方案下,对电荷泵效率优化的结果仅有1.56%的误差。最后,本文对芯片系统的版图,以及高压产生系统和各电路模块的版图设计作了具体介绍。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-11
1 纳米晶存储器介绍  11-24
  1.1 纳米晶存储器的发展现状  11-15
  1.2 纳米晶存储器系统结构  15-17
  1.3 纳米晶存储器的操作原理  17-22
    1.3.1 编程及擦除机理  17-20
    1.3.2 纳米晶存储器的读取操作  20-22
  1.4 本文的章节内容及特色  22-24
2 纳米晶存储器中的高压系统  24-30
  2.1 本章引论  24
  2.2 纳米晶存储器操作电压  24-27
  2.3 高压系统结构  27-28
  2.4 电荷泵电路系统  28-29
  2.5 本章小结  29-30
3 高压产生系统电路设计  30-81
  3.1 本章引论  30
  3.2 电荷泵的工作机理及常见的电荷泵电路  30-48
    3.2.1 电荷泵的工作原理  30-32
    3.2.2 电荷泵的性能参数  32-37
    3.2.3 电荷泵电路中器件的物理特性  37-42
    3.2.4 电荷泵电路中的功率损耗机制  42-44
    3.2.5 常见的电荷泵电路结构  44-48
  3.3 电荷泵电路设计  48-62
    3.3.1 7.5V 电荷泵电路设计  49-54
    3.3.2 2.5V 电荷泵电路设计  54-57
    3.3.3 -4.5V 负高压电荷泵电路设计  57-62
  3.4 时钟产生电路设计  62-75
    3.4.1 40MHz 振荡器设计  62-65
    3.4.2 四相位时钟产生电路设计  65-67
    3.4.3 时钟驱动电路设计  67-73
    3.4.4 稳压电路设计  73-75
  3.5 电荷泵系统仿真  75-78
    3.5.1 7.5V 电荷泵系统仿真结果  75-76
    3.5.2 2.5V 电荷泵系统仿真结果  76-78
  3.6 高压开关设计  78-80
  3.7 本章小结  80-81
4. 电荷泵效率优化方法  81-87
  4.1 本章引论  81
  4.2 DOE 方法介绍  81-84
    4.2.1 N 因素坐标选取  82-83
    4.2.2 响应曲面的确定  83-84
  4.3 电荷泵效率优化  84-86
  4.4 本章小结  86-87
5 版图设计  87-92
  5.1 本章引论  87
  5.2 纳米晶存储器系统版图  87-88
  5.3 电荷泵系统版图  88-91
  5.4 本章小节  91-92
6 结论  92-94
  6.1 研究总结  92-93
  6.2 工作展望  93-94
致谢  94-95
参考文献  95-101
在校期间发表的学术论文及研究成果  101

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