DRAM的基本工作原理.doc

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DRAM的基本工作原理

林振華

內容標題導覽：

｜前言｜DRAM的工作原理｜記憶單元｜感應放大器｜

前言

由於資訊科技的帶動使得半導體記憶體的技術突飛猛進，尤其這三十幾年來DRAM由最早期的1KDRAM到目前的512MDRAM不論是記憶容量的增加、存取速度的提昇、每單位位元的成本降低等改變速度都非常快速，因此DRAM的相關技術無疑已經是半導體技術的領先指標了。

然而，自4KDRAM改用單一電晶體+電容的記憶單元結構以來基本記憶單元（MemoryCell）的結構特性並未改變太多，因此雖然目前記憶容量已經增加到512M以上，然而DRAM的基本工作原理仍然是沒有太大改變。

DRAM的工作原理

DRAM的結構

MOSDRAM的標準架構如圖1所示，每個記憶單元可儲存一個位元的數位資料"0"或"1"，記憶單元藉由行（row）與列（column）方式的排列形成二次元陣列，假設由n行和m列的記憶單元所排列成的二次元陣列時可以構成n×m=N位元記憶體。

當資料寫入或由記憶單元中讀取時，是將記憶單元的位址輸入行和列位址緩衝器（addressbuffer），並利用行解碼器（rowdecoder）選擇n條字元線（wordline）中特定的一條，每一條字元線會與m條位元線（bitline）和m位元的記憶單連接，位元線與記憶單元之間具有一個感應放大器放大儲存在記憶單元中的訊號，因此m條位元線具有m個感應放大器（senseamplifier）。

當選擇字元線之後，列解碼器（columndecoder）會選擇m條位元線其中的一條，被選擇的位元線之感應放大器透過資料輸出入線（I/O線）與輸出入線路連接，然後根據控制線路的指令進行資料讀取或寫入。

其中，輸出入線路是由輸出預放大器、輸出主放大器和資料輸入緩衝器等線路所構成。

根據以上的介紹DRAM的基本架構包括：

˙排列成二次元陣列的記憶單元。

˙感應放大器。

˙位址緩衝器（行/列）及位址解碼器（行和列）。

˙輸出預放大器、輸出主放大器和輸入緩衝器等輸出入線路。

˙控制線路等。

而資料的傳輸路徑則是藉由字元線、位元線、資料輸出入線（I/O線）等路徑進行傳遞。

記憶單元

記憶單元的基本結構

自4KDRAM之後，DRAM記憶單元的結構便是由一個電晶體和一個電容所構成。

雖然後來陸續提出一些新的DRAM記憶單元結構，但是不論元件數目或是線路數目方面，都比1個電晶體+1個電容的結構複雜，因此即使64~256MDRAM仍繼續使用這種結構的記憶單元。

構成一位元的記憶單元必須具有下列部份：

˙儲存資料的電容

˙啟動記憶單元的字元線

˙由記憶單元讀寫資料的位元線

因此1電晶體+1電容型的記憶單元是具有上述三個部份的最簡單結構。

其等效線路如圖2（a）所示，目前構成記憶單元中所用的電晶體大部分是n通道MOS的電晶體（nMOS），構成電容的兩個電極中施加電壓的電極稱為cellplate，另一邊用來儲存資料的電極則稱為儲存節點（storagenode）。

記憶單元中的MOS電晶體又特別稱為轉移閘極（transfergate），這種記憶單元的主要特徵為：

˙因為元件和線路的數目少，所以記憶單元所佔的面積很小，可以容易地達到高集積度。

˙由於記憶單元本身沒有放大功能，為了偵測位元線上的微小訊號，因此必須額外具有感應放大器。

˙讀取時，儲存在電容中的電荷會消失，因此讀取之後必須進行再寫入的動作。

˙儲存在電容中的電荷會因為漏電流而逐漸消失，因此必須週期性地進行再寫入（refresh）的動作。

典型1MBDRAM所用的twinwellCMOS，三層多晶矽（polysilicon）和一層鋁導線製程所形成1電晶體+1電容的記憶單元結構如圖2（b）及圖2（c）所示，這種記憶單元的結構稱為平面型記憶單元，圖2（b）是六個記憶單元的平面圖，圖2（c）則是平面圖中A-A'直線的橫截面。

記憶單元中，是由第一層多晶矽（polyI）構成電容的cellplate、第二層多晶矽（polyⅡ）構成字元線上n通道MOS的轉移閘極，儲存的資料是以電荷的形式儲存在電容中，資料的讀寫則是藉由第三層多晶矽（polyⅢ）所形成的位元線來控制。

為了降低polyⅢ所形成的位元線電阻，有時位元線的材料會使用高熔點金屬的矽化物和多晶矽所形成的二層結構。

字元線是由polyⅡ和重疊的鋁導線所構成，並控制polyⅡ和鋁導線之間的間隔使其導通，字元線的電阻越小，則訊號傳輸的速度越快。

施加在cellplate上的電壓為1/2電源電壓（Vcc/2）。

雖然圖2（a）記憶單元的等效線路非常簡單，但是如果要提高DRAM的集積度並降低成本，必須設法不斷地提昇記憶單元的製程技術；因此，完成記憶單元的製程技術開發之後，幾乎便完成了DRAM製程開發的70%~80%工作。

圖21電晶體+1電容型的記憶單元

圖2（b）平面圖（省略AI導線）

記憶單元的基本動作

記憶單元的基本動作可分為儲存資料、寫入資料及讀取資料三種。

nMOS的水庫模型

DRAM的記憶單元是由MOS電晶體和電容所構成，電晶體的主要功能就如同開關控制電荷訊號寫入電容，或是由電容中讀出，電容的主要目的則是存取電荷。

為了簡單說明起見，記憶單元中的nMOS閘極相當於水庫的水門用來控制水的進出，儲存在電容中的電子相當於水庫中的水，而電子的電位則相當於水位的高低。

圖3（a）是nMOS的等效線路，圖3（b）是橫截面圖，圖3（c）~（g）是源極（source）、閘極（gate）下方和汲極的電子電位，當源極電位（VS）和汲極電位（VD）分別為0V和5V時，由於電子帶負電因此在5V端的電子位能反而較低；根據上述的水庫模型，可以將源極視為水位較高，而汲極水位較低的兩個水源。

當閘極電壓VG為0V時，如圖3（c）閘極的位能比源極高出VTH，因此電子無法由源極流到汲極，就好像水（電子）被水門（閘極）截斷而無法流動。

當施加正電壓於閘極時，閘極下方的電子電位開始降低，當閘極電位降到與源極電位相等時，如圖3（d）電子開始可以由源極流向汲極，使閘極電位與源極電位相等的外加電壓VG定義為nMOS的臨界電壓（VTH）。

因此，當閘極電壓開始增加時就如同水門開始打開讓水由高水位（源極）流到低水位（汲極）的情形一樣。

圖3（e）和（f）為閘極電壓VG滿足0≦VG-VTH≦VD的條件時，閘極下方的電位介於源極電位和汲極電位之間，此時如同水門半開的情形，因此水（電子）可以由源極流到汲極。

圖3（g）是閘極VG滿足VG-VTH=VD的條件時，這時由於閘極電位與汲極電位相等，如同水門全開的情形，如果VG進一步增加使得VG-VTH≧VD時，稱為三極管區域。

如上述，nMOS的閘極就如同水門一樣，可以藉由外加電壓的大小，控制電子由高電位的源極流到低電位的汲極。

記憶單元的水池模型

記憶單元中nMOS的工作原理可用前述的水庫模型來說明，而電容則可以用圖4的水池模型來說明。

電容可視為是用來儲存電子（水）的水池，位元線則相當水池的水道，字元線則用來控制水庫的水門（電晶體閘極）。

以下利用上述的水池模型來說明記憶單元的資料儲存、資料寫入和資料讀取三個基本動作（電源電壓Vcc=5V）。

儲存資料

資料儲存的情形如圖5所示，當水門關閉時（字元線0V），水池中的水無法流出水池，外面的水也無法流入，儲存在水池中的水位維持不變，因此能達到儲存資料的功能，水池中水位的高低可以用來表示二進位的"0"或"1"。

由於電子帶負電因此處於正電位的電子電位較低，所以電位為0V時相當於水池滿水位的高水位狀態，可用來代表二進位的"0"（"L"）。

當電位為5V時，相當於水池中沒有水的低水位狀態，可用來代表二進位的"1"（"H"）。

當水門關閉，水道（位元線）的水位對於水池沒有影響，電容電位可以維持不會受到改變，因此可以用來儲存資料。

資料寫入記憶單元的動作

資料寫入記憶單元的動作如圖6所示，可分為寫入"0"的情形和寫入"1"的情形兩種，圖6（a）為寫入"0"的情形，圖6（b）則為寫入"1"的情形。

將"0"寫入記憶單元中的順序如下：

t1：

根據之前的資料，水池可能為滿或空的狀態。

t2：

將水道水位上升到全滿，相當於低電位狀態（電位為0V）。

t3：

然後利用字元線控制（字元線6V）將水門打開，由於水道水位全滿為高水位狀態，因此水道中的水會流入水池將水池填滿，使水池成為高水位（低電位狀態"0"）。

實際的操作順序也可先打開水門之後，再提昇水道中水位進行寫入的動作。

將"1"寫入記憶單元中的順序如下：

t1：

根據之前的資料，水池可能為滿或空的狀態。

t2：

將水道的水位下降到空的狀態，相當於高電位狀態（電位為5V）。

t3：

然後利用字元線控制（字元線6V）將水門打開，由於水道水位全空為低水位狀態，因此水池中的水會流到水道，使水池全空成為低水位（高電位狀態"1"）。

寫入"1"的順序最好遵照上述t2和t3的順序，如果寫入"1"，Vcc=5V的電位時，水門必須全開到與水道的水位相等，因此字元線的"H"電位必須高於Vcc+VTH（VTH為電晶體的臨界電壓），這種情形稱為字元線昇壓。

由圖6（a）可知，寫入"0"時不需要字元線昇壓，但是寫入"1"時，如果字元線的"H"電位只有Vcc而水池原本為滿水位時，即使水門打開讓經由水道流走，最後仍會剩下VTH部份水位的水殘留，無法讓水池的水完全流光。

此時寫入"1"的電位減少了VTH只有Vcc-VTH。

因此，字元線昇壓是DRAM的重要線路技術。

圖6記憶單元的寫入動作

記憶單元的讀取動作

由記憶單元中讀取資料的動作如圖7，圖中所介紹的是1MDRAM以後所使用的位元線（1/2）Vcc預充電技術，圖7（a）為讀取"0"的動作，圖7（b）為讀取"1"的動作。

讀取動作較寫入步驟複雜，由於水道（位元線）的電容量CB（CB=250~300fF）大於水池（電容）的容量（Cs=30~40fF），且水道中的水量比水池的水多，因此打開水門讀取資料時，很容易發生水由水道倒灌水池的現象。

讀取"0"時的順序如下：

t1：

水池水位全滿（電位0V），水道的水位先預設在2.5V。

t2：

打開水門（字元線6V），水池的水流到水道，由於水池中的水量很小，因此只能造成水道的水位微幅上升；當水門打開之後，水道中的電位會變成2.3V左右。

水位的變化為：

因此，當感應放大器偵測到水道的水位產生Δ0的變化時，便可以辨別出水池中的資料為"0"，

讀取"1"時的順序如下：

t1：

水池水位全空（電位5V），水道的水位先預設在2.5V。

t2：

打開水門（字元線6V），水道的水流到水池，使得水道的水位下降，水道電位變成2.7V左右。

水位的變化為：

因此，當感應放大器偵測到水道的水位產生Δ1的變化時，便可以辨別出水池中的資料為"1"。

記憶單元的讀取電壓

DRAM記憶單元的基本結構是由1電晶體+1電容所構成，記憶單元的等效電路如圖8。

如上述，DRAM由記憶單元讀取資料時，主要是藉由位元線的電壓變化經感應放大器辨別記憶單元中儲存為"0"或"1"的訊號，讀取資料時所需要的讀取電壓，可以由記憶單元的等效電路求出。

假設記憶單元的電容量Cs，位元線的floating電容量為CB。

當寫入"1"或"0"到記憶單元時，儲存節點的電位VSN為Vcc或是0；Cellpla