Parte 2 - Come funziona la memoria flash

Come funziona la memoria flash
Serie di schede SD - Parte 2

Il cuore di ogni scheda SD è il chip di memoria flash. Quindi, per capire perché la qualità delle schede SD non è sempre la stessa, dobbiamo sapere come viene prodotta la memoria flash e come funziona.

Questo post fa parte di una mini serie di tre parti sulle schede SD con alcune informazioni approfondite.

Contenuto

Se avete bisogno di una panoramica o di un rapido promemoria sull'argomento, questo grafico informativo dovrebbe servirvi bene.

5 Memoria flash
5 Memoria flash

Perché il silicio è usato per creare la memoria flash

La memoria flash e altri microchip sono fatti di silicio perché è un semiconduttore. Ciò significa che conduce l'elettricità solo in determinate condizioni. Inoltre, il silicio è il secondo elemento più abbondante nella crosta terrestre.

Silicio
Silicio

La semiconduttività del silicio garantisce ai produttori un controllo completo sulle proprietà elettriche dei materiali a base di silicio aggiungendo piccole quantità di impurità. Queste sono principalmente boro, fosforo, arsenico e antimonio.

Produzione di wafer di silicio

Il primo passo nella produzione della memoria flash è creare un lingotto di silicio. Ci sono diversi metodi per ottenere un lingotto cilindrico. Diamo un'occhiata al metodo Czochralski comunemente usato.

Metodo Czochralski

Il chimico polacco Jan Czochralski inventò un metodo per produrre lingotti di silicio monocristallino di alta purezza.

Metodo Czochralski
Metodo Czochralski

Il silicio viene fuso in un crogiolo. Dopo di che un cristallo seme viene introdotto nella massa fusa. Esso viene lentamente tirato verso l'alto, mentre il crogiolo e il cristallo ruotano in direzioni opposte. Questo porta ad un lingotto cilindrico molto omogeneo di silicio, chiamato anche boule.

Affettare

Una sega per wafer taglia il boule in wafer, che sono dischi molto sottili (circa 100-500 μm di spessore). I wafer sono lucidati fisicamente e chimicamente per rimuovere i difetti e le impurità su scala atomica.

Produzione di stampi

Naturalmente i wafer non possiedono ancora superpoteri. Devono prima essere trasformati in die. Un die è solo un pezzo di silicio che contiene un circuito integrato.

Il processo più comunemente usato per stampare il circuito integrato sul wafer è fotolitografia.

Questo processo è semplice da capire ma molto difficile da eseguire con qualità costante, a causa della scala incredibilmente piccola dei circuiti integrati.

Fotolitografia

Date un'occhiata al grafico qui sotto, che mostra il setup di Photolitography.

Fotolitografia
Impostazione della fotolitografia

Il wafer viene nuovamente pulito dopo la spedizione per rimuovere qualsiasi contaminante proveniente dall'imballaggio. Poi viene innescato con uno strato microscopicamente sottile e perfettamente uniforme di silicio e photoresist. Un'apertura costituita da una fonte di luce e da lenti proietta la fotomaschera sul wafer. La maggior parte delle aziende usa luce UV ad alta energia. Dopo alcuni passi aggiuntivi, il modello della fotomaschera viene trasferito sullo strato di silicio sopra il wafer.

Dopo di che, il primo strato deve essere pulito per poter iniziare con lo strato successivo. La macchina fotolitografica ripete questi passaggi per ogni strato fino a quando la struttura 3D specifica della memoria flash è finita.

In questa fase il wafer appare come un disco con molte celle in cima. Queste celle, per lo più quadrate, sono le singole matrici, che in questo caso sono singole unità di memoria flash.

Prima che i wafer possano essere lavorati ulteriormente, è necessario determinare la qualità di ogni matrice. Il risultato è una cosiddetta mappa del wafer che indica il grado di ogni matrice sul wafer. A causa della natura del processo di produzione c'è una tendenza che nel centro ha prestazioni migliori dei die vicino al bordo.

Le matrici che raggiungono lo standard di qualità richiesto sono tagliate dal wafer e costruite in dispositivi di memoria flash.

Ora sapete come viene prodotta la memoria flash. Naturalmente è quasi impossibile avere risultati perfettamente coerenti ogni volta a causa dell'enorme quantità di parametri che influenzano la produzione.

Tutto, dai materiali alle macchine, deve essere di qualità perfetta per massimizzare la quantità di matrici funzionanti su ogni wafer.

Struttura della memoria flash

Una singola cella di memoria flash può memorizzare 1 bit. La cella consiste di una sorgente e di un drenaggio, nonché di un gate flottante e di un gate di controllo, il tutto sulla parte superiore del substrato di silicio.

Cella di memoria flash
Cella di memoria flash

Ci sono strati di ossido tra il gate di controllo, il floating gate e il substrato di silicio. Essi impediscono agli elettroni di muoversi liberamente, ma gli elettroni possono attraversare questi strati in determinate circostanze.

Lettura e scrittura di dati

Le operazioni di scrittura e di lettura sono controllate applicando tensioni alla cella di memoria flash.

Leggere

Per leggere il Bit memorizzato, la sorgente è tirata a terra o 0V e circa 3V sono applicati al drain e al gate di controllo. Questo costringe gli elettroni a muoversi orizzontalmente dalla sorgente al drenaggio se il gate flottante è vuoto. Il flusso di corrente viene interpretato come un 1 logico.

Tuttavia, se gli elettroni sono intrappolati nel gate fluttuante, impediscono il flusso di corrente dalla sorgente al drain, che viene interpretato come uno 0 logico.

Scrivere

Per scrivere uno 0 logico nella cella di memoria flash, gli elettroni devono essere intrappolati nel gate fluttuante. Questo si ottiene applicando 0V al source, circa 7V al drain e una tensione ancora più alta di circa 10V al gate di controllo.

Gli elettroni sono costretti a spostarsi di nuovo orizzontalmente dalla sorgente al drenaggio, ma alcuni di loro scavano un tunnel nel gate flottante a causa della tensione più alta. Una volta rimosse le tensioni, questi elettroni sono intrappolati tra i due strati di ossido fino a 10 anni! Ma alla fine usciranno dal floating gate e i dati andranno persi. Quindi si dovrebbe fare un backup regolare di tutti i file importanti che risiedono sulle unità flash.

Per rimuovere gli elettroni dal floating gate e scrivere un 1 logico, il gate di controllo viene tirato a terra o a 0V e la sorgente, il substrato di silicio e il drenaggio vengono messi a circa 10V. In questo modo gli elettroni sono forzati a uscire dal gate fluttuante.

Naturalmente ogni cella di memoria flash ha un numero limitato di operazioni di lettura e scrittura finché non si consuma. Quindi la maggior parte dei sistemi moderni cerca di distribuire i dati in modo che nessuna cella sia usata più spesso delle altre, per garantire la massima durata di vita della memoria flash.

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