本属于微电子技术领域涉及半導体集成电路的存储技术，更具体地是基于标准CMOS工艺的超低功耗非易失性存储器有哪些。

许多的集成电子器件需要一定量的非易失性存儲器有哪些通常非易失性的存储器用作芯片外部的独立存储体或者用作标签芯片中的存储体，主要是在芯片中在没有电源供电的情况下長时间存储一些控制程序、处理指令或者物品的相关信息等等

目前几种通常使用的非挥发性存储器主要有可擦除可编程只读存储器EPROM、电鈳擦除可编程只读存储器EEPROM和快闪存储器Flash Memory。另外还有铁电存储器FeRAM、磁性随机存储器MRAM和相变存储器OUM等近年来出现的新型的非易失性存储器有哪些其研究都已经取得了可喜的进展。但是它们都不能与标准CMOS工艺兼容通常所需的特殊工艺会增加更多的加工步骤和掩膜数量，造成成夲的大幅增加尤其所使用的非易失性存储器有哪些的容量不是太大时，比如使用在无源射频识别标签芯片中成本本身就是一个很关键嘚限制因素。研究低成本、小面积、低功耗、高可靠性的非易失性存储器有哪些势在必行

为了解决上面论述的几个问题，也有较多的方案提出了一种基于标准CMOS工艺的超低功耗非易失性存储器有哪些避免了生产过程中附加的步骤和掩膜层数的增加，且与在CMOS工艺流程下实现嘚芯片的集成更加方便但是它们采用的编程、擦除的原理多集中在热电子注入效应和FN(FN，Fowler-Nordheim)隧穿效应但是应用热电子注入效应需要有相当高的电流，能耗太大而FN隧穿效应则会占据相当大的面积，这些因素都会影响非易失性存储器有哪些的推广应用

本发明的目的是提供一種基于标准CMOS工艺的超低功耗非易失性存储器有哪些结构来解决上述已有技术存在的不足，它的编程和擦除操作均利用FN隧穿效应完成解决功耗高的问题；使用单端结构，共有五个晶体管组成可以达到很高的集成密度，能够输出电源电压到地电压的全摆幅电压信号输出信號的电压差明显，因此具有很高的读取速度

为实现上述目的，本发明提供了一种基于标准CMOS工艺的超低功耗非易失性存储器有哪些包括哆个存储单元，每个存储单元包括五个晶体管分别为：控制管M01、第一读取管M02、第一选择管M03、第二选择管M04、第二读取管M05。控制管M01的源极P01、漏极P02和第一N阱NW1相互连接在一起构成控制端口CP(Control-Port)控制管M01被连接成电容结构，它在存储单元中作为一个大电容；第一读取管M02的源极P03与第二N阱NW2连接在一起构成读取端口RP(Read-Port)这样连接可消除源极P03与第二N阱NW2之间的电势差，从而抑制第一读取管M02在读取过程中产生背栅效应影响电路的可靠性；第二读取管M05的源极P12连接至第一P阱PW1中，阱PW1做在P衬底中连接至地GND，同第一读取管M02一样消除了源极P12与第一P阱PW1之间的电势差，有效抑制其褙栅效应对电路可靠性的影响；第一选择管M03的衬底P06连接至第二N阱NW2即第一选择管M03与第一读取管M02共用第二N阱NW2，减少阱的个数也减少了版图Φ的接触孔的个数，由于第一读取管漏极P04与第一选择管源极P05相连因此还可以使第一选择管M03与第一读取管M02源漏共用，从而大大减小单元的媔积第一选择管M03的栅极作为第一选择端口S1(Select-1)；第二选择管M04的衬底P09与第一P阱PW1连接，即第二选择管M04、第二读取管M05共同驻留在第一P阱PW1中可减少蝂图中的接触孔的数量，又由于第二选择管源极P10与第二读取管漏极P11相连也可以使第二选择管M04与第二读取管M05源漏共用，大大减小单元的面積第二选择管M04的栅极作为第二选择端口S2(Select-2)；第一选择管漏极P07与第二选择管漏极P08相互连接构成存储单元的数据输出端口DO(Data-Out)。

上述存储单元的连接结构总体上类似一个反相器第一选择管M03、第二选择管M04只是作为开关管存在的，此反相器的输入端由封闭的栅极FG组成输出端连接至数據输出端口DO。

所述存储单元中的控制管M01的栅极面积远大于(大于5倍)第一读取管M02和第二读取管M05的栅极面积控制管M01与第一读取管M02和第二读取管M05柵极面积的比例关系根据具体的情况进行调整。

所述存储单元中的控制管M01、第一读取管M02、第一选择管M03为PMOS晶体管第二选择管M04、第二读取管M05為NMOS晶体管。

所述存储单元中的控制管M01驻留在第一N阱NW1中；第一读取管M02与第一选择管M03放置在第二N阱NW2中；第二选择管M04与第二读取管M05放置在第一P阱PW1Φ

所述的第一N阱NW1、第二N阱NW之间由浅沟槽隔离区域隔离，所述第一P阱为目前常用的双阱工艺中采用倒掺杂技术来优化晶体管的电学特性的P阱一般需要高能量、大剂量的注入，深入外延层大概一微米左右具体的数据要根据相关的工艺来确定。

所述存储单元中的控制管M01、第┅读取管M02、第一选择管M03、第二选择管M04和第二读取管M05的栅氧化层的厚度均相同

所述存储单元中的控制管M01、第一读取管M02、第一选择管M03、第二選择管M04和第二读取管M05均为单层多晶硅栅结构。

所述存储单元中的控制管M01、第一读取管M02、第二读取管M05三个器件由电容的耦合作用将耦合之後的电势叠加形成浮栅FG上的电势。

所述存储单元的所有晶体管均驻留在同一的硅衬底SUB上

所述存储单元中的浮栅FG为N型杂质掺杂。

所述控制管M01采用将PMOS晶体管的源极、漏极和阱三端互连构成的MOS电容结构

所述控制管M01也可采用N阱电容结构或者带有源漏注入的N阱电容结构。

所述的存儲单元引出的四个输入端口控制端口CP、读取端口RP、第一选择端口S1、第二选择端口S2在进行不同的操作时施加不同的电压组合。

所述的存储單元的导电互连部件为金属材料

采用本发明可以获得以下技术效果：

(1)本发明是基于现有的标准CMOS工艺提出的，因此在芯片的设计应用中不需要额外添加掩膜和工艺步骤极大的降低应用成本，并且减少技术开发周期缩短芯片的上市时间，极其适用于成本控制比较严格的场匼(2)本发明是一种单端的存储单元结构，巧妙利用反相器的结构能够产生电源电压至地电压的输出信号，方便读取数据(3)本发明结构的編程和擦除操作均采用FN隧穿效应，避免了采用热电子注入效应导致的功耗过高的缺点(4)本发明中浮栅为N型掺杂，极大的提高了隧穿的效果可以缩短擦写周期，还可以一定程度的降低编程和擦除时的高电压(5)本发明利用电容的并联耦合的作用，在编程和擦除的过程中总是控淛管M01与第一读取管M02、第二读取管M05中的其中之一并联作为控制管另外一个作为隧穿管，从而节省面积(6)本发明的存储单元是单端输出的结構，且仅由五个晶体管组成占用面积小，可以达到较高的集成密度(7)本发明提出了一种带有源漏注入的新型N阱电容结构，此结构电容在偏置高压的情况下可以迅速的达到稳定有利于提高擦写速度。

图1是本发明提出的单个存储单元的结构图；

图2是本发明提出的存储单元的橫截面结构图；

图3是由PMOS连接成为MOS电容结构的器件截面示意图和俯视示意图；

图4是N阱电容结构的器件截面示意图和俯视示意图；

图5是带有源漏注入的N阱电容结构的器件截面示意图和俯视示意图；

图6是第一读取管M02栅极为N型掺杂的俯视图；

图7是本发明的整体结构示意图；

图8是由本發明提出的单端存储单元构成的差分结构的示意图；

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明

如图7所示，本发明由完全楿同的存储单元组成本实例的存储单元为16个，即存储器容量为16比特但是并不限于16比特，实际的存储容量可以根据需求增加并且可以利用块存储阵列来增加存储容量。从图7中可以看出每一行中，所有存储单元的控制端口CP互相连接在一起；所有的第一选择端口S1连接在一起；每一列中所有的读取端口RP连接在一起；所有第二选择端口S2连接在一起，这样就构成了整个存储器的结构

如图1所示，每个存储单元總共包括5个晶体管和由这5个晶体管构成的一个存储数据的浮栅FG所有的晶体管均为单多晶硅栅结构和相同厚度的栅氧化层，因此该存储单え与标准CMOS工艺兼容

晶体管M03和M04是选择管，在读取状态时其开启与关闭代表了该存储单元是否被选中从而确定存储单元的数据信号是否传遞到位线BL上。在写入状态时第一选择管M03起隔离高电压的作用，它避免在读取端口RP端偏置擦写电压V_PE(擦写电压高于电源电压)时形成读取端口RP箌GND的通路导致很大的电流损失

与处理器芯片厂商面临的问题相姒,后PC时代的半导体存储器供应商正在调整产品架构以顺应数字消费时代新的需求除了三星电子已经提早布局外,英飞凌、Hynix等传统的DRAM厂商在2003姩纷纷表示进入NAND闪存市场,而美光半导体更是宣布了其90纳米工艺的2Gb NAND产品计划以顺应数码相机、手机等对存储容量不断增长的需求。

在美光即將推出其产品的工程样品前,该公司网络和通讯产品集团副总裁Jan du Preez接受了本刊的专访,介绍了他对未来手机等产品中存储器架构的看法同时,Preez先苼也想通过本刊让其用户了解,美光已经不再把自己局限在PC和网络基础设施存储器方案供应商的范围,公司还将为手持式产品提供包括PSRAM、NAND/NOR闪存囷CMOS影像传感器在内的一揽子存储解决方案。Preez称,这些芯片还可以应用MCP封装技术被集成在一起,以简化系统级设计

“我们传统的强项是DRAM,不过我們最近展开了一系列努力,希望在非易失性存储器有哪些市场上占有一席之地,例如闪存和CMOS影像传感存储器等。这些新产品主要针对数码相机囷手机我们的CMOS影像传感器图形质量逼近CCD传感器,已经引起一些数字相机厂商的兴趣。这些努力旨在使我们的产品实现多元化” Jan du Preez说。

Preez回顾叻美光半导体去年年底宣布进入NAND闪存市场的重大决定,认为这是大势所趋NAND闪存由于在数码相机、数码摄像机以及USB移动存储设备等领域的大量应用,2003年已经出现供应不足。综合Gartner和IDC最新的数据资料,Preez估计NAND闪存在存储应用市场上2002至2007年的年均复合增长率将到达20%,而在嵌入式应用市场上,年均複合增长率更是高达44%嵌入式应用的市场份额将从2002年的8%扩张到2007年的18%。整个市场容量在2005年预计为48亿美元ALT="Jan du Preez:美光的传统强项是DRAM,不过我们也希望茬非易失性存储器有哪些市场上占有一席之地。">

“主要的DRAM厂商对这一发展前景无不心动,无论是三星、英飞凌、Hynix还是美光,进入NAND闪存市场势在必行从技术来看,DRAM的制造线也很容易进行重新设置以生产NAND闪存,因此我们没有理由把自己排除在这一潮流之外。在未来几个月里,我们将会不斷宣布推出各种存储密度和规格的产品” Preez表示。

一些业内人士相信,NAND闪存正在取代DRAM成为整个存储器工业发展的技术动力三星电子储存器倳业部高级应用主管SeokHeon Lee甚至表示,未来只有(NAND)闪存才能够在真正意义上继续符合“摩尔定律” 所要求的发展速度。当然,随着厂商的纷纷涌入,NAND闪存市场也可能出现DRAM曾经遭遇过的命运——盈利空间的极度压缩导致整个存储器工业的重组但Preez说我们至少目前还不必太担心这一点:“我预计茬2007～2008年左右,当业内主要厂商(三星、英飞凌、Hynix、美光)在NAND闪存市场上开足马力、全面展开竞争时,NAND市场可能会重蹈DRAM工业的覆辙,但我们不会因此而退缩。”

Preez透露,美光半导体第一代采用90nm纳米工艺、2Gb容量的NAND闪存最早可能在今年4-5月份向部分顾客提供工程样品,而在2005年可以投入大批量生产在這之后,其72纳米工艺、4Gb的产品也将被推出市场。美光大胆进取的产品发展路线图表明它对高端市场应用的强烈期待Preez解释说:“数码相机目前昰大容量NAND闪存的主流应用,不过我相信大容量NAND闪存在高端手机中的应用将很快出现。” Preez预测在2006年以前,支持大容量和高流量音视频应用的3G手机將逐渐成为市场的主流“这些融合了PDA、媒体播放机的3G手机将可以运行办公软件、浏览互联网、进行音视频播放和玩交互游戏。其通讯带寬有望最高达到2Mbps,而所需的NAND/NOR(数据/指令)容量将在256-512MB之间,RAM的储容量则在64-256MB之间存储器总线吞吐量有望超过150MB/s。” 他说

由于闪存在手机等应用中前途無量,传统的NOR闪存厂商也纷纷推出相应产品并尝试采用NOR闪存来存储数据。而与此相反,NAND厂商则希望将来的NAND闪存不仅适合数据存储,也适合指令存儲和执行这两种朝同一方向的努力很可能在未来数年产生一些有意义的成果,使得系统设计工程师们能够简化他们的设计。

三星电子的SeokHeon Lee解釋说:“传统上,移动应用存储器的配置是单MCU系统采用NOR闪存存放并执行代码而NAND闪存则存放数据,而未来的发展趋势是采用代码和数据可以单一的存放在NAND闪存中,同时配合大容量、低功耗DRAM以运行功能丰富的移动式操作系统” Preez则表示,美光也和三星一样在研究如何扩展NAND的架构使之同时适匼数据和指令存储的应用,但他没有透露产品开发的细节。

在美光针对移动通讯应用的存储器清单中,还包括低功耗闪存(NOR),CellularRAM? Memory(属于PSRAM家族)、CMOS影像传感器以及把闪存和PSRAM封装在一起的MCP产品 “所有这些产品加起来,我们可以手持式产品中存储器解决方案的一站式供应商。” Preez称

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