[发明专利]低功耗单栅非挥发性存储器

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体集成电路与标准CMOS工艺兼容的低功耗非挥发性存储技术。

背景技术

信息化时代离不开计算机或集成电路的广泛应用，计算机的两大核心部件是中央处理器和数据存储器。半导体集成电路存储器主要分为随机存储器RAM和只读存储器ROM。只读存储器在掉电后数据仍能被长期保存，一般用于存放不经常更改的信息，而且便于携带。

目前，公知的非挥发性只读存储器主要有：紫外线可擦除可编程只读存储器UVEPROM、电可擦除可编程只读存储器EEPROM和快闪存储器Flash Memory。这些存储器的理论和应用已经相当成熟，但他们都存在一些缺点。紫外线可擦除可编程只读存储器UVEPROM，擦除信息时需要将存储芯片从机箱内取出用紫外线照射较长时间，使用不方便。电可擦除可编程只读存储器EEPROM，利用量子隧穿效应，虽然实现了无需从机箱内取出存储器，即可通过电擦除信息，但其结构需要特殊的工艺来制造存储电荷的浮栅，与当前的标准CMOS工艺不兼容，制作工艺复杂，存储器的制造成本高。快闪存储器Flash Memory是现今最流行的便携式存储器，广泛应用于U盘、TF卡，手机内置存储器等领域，其电路结构与EEPROM类似，同样需要单独制作的浮栅，成本较高。并采用热电子注入来实现对数据的写入，需要很高的电压，因而功耗较大。数据存储技术的发展，需要新的与标准CMOS工艺兼容的单栅非挥发性存储器结构，解决现有存储器功耗大，控制电路复杂，占用面积大等缺点，而这些缺点极大影响了数据存储器在数字设备尤其是移动设备上的推广使用。

发明内容

为了克服现有非挥发性存储器的不足，本发明提供一种与标准CMOS工艺兼容的非挥发性存储器，该存储器制造成本低，控制电路简单，功耗低，电路占用面积小。

为了实现上述目的，本发明提供的存储器结构包括多个存储单元和多个电平预置单元，每个存储单元包括：电荷注入晶体管、电荷泄放晶体管、隧穿选择晶体管以及输出控制晶体管；每个电平预置单元包括：三个反相器和电平预置晶体管；隧穿选择晶体管的源极、漏极和衬底连接在一起，构成隧穿选择端子：电荷泄放晶体管的源极、漏极和衬底连接在一起，构成电荷泄放端子；电荷注入晶体管的源极接地，漏极和输出控制晶体管的源极相连接；输出控制晶体管的衬底与电荷注入晶体管的衬底相连接并接地，栅极作为字线，漏极和电平预置晶体管的漏极相连接；电平预置晶体管的源极与衬底相连并接工作电压，栅极作为电平预置端；两个环形连接的反相器的一端接电平预置晶体管的漏极，另一端作为第三个反相器的输入，该反相器的输出端输出电平数据；所述的电子注入晶体管、电子泄放晶体管、隧穿选择晶体管的栅极并接，共享浮栅。

所述的存储器属于不同字节相同比特位的存储单元输出控制晶体管的漏极并接，共享一个电平预置单元。

所有晶体管都是增强型单栅晶体管，且电荷注入晶体管和输出控制晶体管采用NMOS晶体管：电荷泄放晶体管、隧穿选择晶体管以及电平预置晶体管采用PMOS晶体管。

所述的电荷注入晶体管和电荷泄放晶体管的栅极区面积均小于隧穿选择晶体管的栅极区面积。

所述的存储器全部NMOS晶体管直接制作在同一衬底上，且衬底接地；每个存储单元的电荷泄放晶体管和隧穿选择晶体管分别制作在各自独立的第一和第二隔离阱中；所有电平预置单元中的所有PMOS晶体管都制作在独立的第三隔离阱中。

所述的电荷泄放端子、隧穿选择端子、输出控制端子以及电平预置端子在电子注入操作，电荷泄放操作和读取操作时分别施加不同的电压组合。

所有操作需要用到的电压包括：电源电压VDD、隧穿电压VFN、读取电压VRD，它们均为正电压，且读取电压VRD的选取应使得当浮栅上没有负电荷时，电荷注入晶体管的栅极和源极之间的电压高于其阈值电压，浮栅上有负电荷时，电荷注入晶体管的栅极和源极之间的电压低于其阈值电压，才能达到读取操作时，电荷注入晶体管的导通与否仅由浮栅上是否有负电荷决定。

由于本存储器结构全部采用单栅晶体管，与标准CMOS工艺兼容，因而存储器的制造成本低。

编程时实现注入电荷的电荷注入晶体管在读取操作时还可以充当读取管，兼具两种功能，可以节省电路面积，从而降低成本。

本发明电荷注入操作和电荷泄放操作都是通过隧穿效应实现的，所采用的电压低于热电子注入方式的闪存存储器(Flash Memory)，降低了功耗。

附图说明

图1是本发明的单一存储单元及其电平预置单元结构图；