[發明專利]基于串聯晶體管型的改進的差分架構OTP存儲單元及存儲器

在審

• 申請號: 201810258795.4
• 申請日: 2018-03-27
• 公開（公告）號: CN108520767A
• 公開（公告）日: 2018-09-11
• 發明（設計）人: 張立軍;吳澄;王子歐;魯征浩;陳澤翔;李有忠;劉金陳
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: G11C17/12
• 分類號: G11C17/12;G11C7/06
• 代理公司: 蘇州翔遠專利代理事務所(普通合伙) 32251
• 代理人: 陸金星

本發明公開了一種基于串聯晶體管型的改進的差分架構OTP存儲單元及存儲器，包括呈差分對稱結構的第一、第二兩管串聯型OTP存儲單元，第一兩管串聯型OTP存儲單元包括串聯的PMOS晶體管MP1和PMOS晶體管MP2，第二兩管串聯型OTP存儲單元包括串聯的PMOS晶體管MP3和PMOS晶體管MP4，第一兩管串聯型OTP存儲單元和第二兩管串聯型OTP存儲單元上接源線SL控制電路模塊，下接位線BL控制電路模塊和靈敏放大電路模塊；還包括一跨接在兩根字線的公共端以及兩根源線的公共端之間的NBTI恢復電路。本發明不僅能夠避免采用基準電路帶來的不匹配問題，極大地提高讀取的穩定性，還能有效改善NBTI效應的影響，極大地增加存儲單元的可靠性及存儲壽命。

技術領域

本發明涉及存儲器領域，具體涉及一種基于串聯晶體管型的改進的差分架構OTP存儲單元及存儲器。

背景技術

一次可編程存儲器（OTP）是非易失性存儲器中的一種，它可以為電路應用提供靈活多樣和價格低廉的解決方案，因而廣泛應用于數據存儲備份，代碼存儲，初始信息存儲，RFID標示信息存儲等領域。

目前有多種結構可以實現OTP功能，最為主要的結構是NMOS晶體管結構，如圖1所示的一個OTP結構，包含一個NMOS晶體管和一個MOS電容，兩者通過一個較大面積的多晶硅浮柵耦合相連。多晶硅浮柵的一端作為NMOS的柵極，另一端和襯底上P阱中的N型擴散區構成MOS電容。N型擴散區和多晶硅相連作為OTP的字線，NMOS的漏極作為OTP的位線，NMOS的源極作為OTP的源線。其原理是未編程時，如果在字線位線段施加讀取電壓，由于MOS電容的耦合影響，NMOS的柵壓可以超過閾值電壓，開啟工作，從而得到一個較大的電流；而如果字線位線施加很大的編程電壓，此時NMOS晶體管發生較強的熱載流子注入，由于浮柵多晶硅沒有直接的金屬連線，因而這些注入的載流子不會消失而是被捕獲在多晶硅中，這樣就引起了NMOS晶體管的閾值電壓發生很大的偏移，如果這時添加讀取電壓，耦合電壓不足以開啟NMOS，NMOS關斷。

但是，上述OTP存儲單元需要MOS電容來耦合電壓，且需要通過耦合比來設計編程電壓，因此這種架構所需要的MOS電容面積較大。同時，在字線端需要增加一次離子注入，即多了一次額外的光刻步驟，增加了成本。

2000年之后，人們把研究的重點轉向了單柵型的OTP存儲架構，因為這種結構可以把存儲器工藝和標準CMOS邏輯工藝完全兼容，大大地節省了成本。

研究人員把研究重點集中到了基于熔絲（efuse）和反熔絲（antifuse）的電介質擊穿型OTP存儲器設計。efuse編程通常是采用流經熔絲過電流致使其熔斷從而使得其電阻值由幾十歐姆變化成幾千歐姆甚至更高來實現編程。Antifuse編程和efuse正好相反，反熔絲在編程前有非常高的電阻，約在幾百兆歐，編程時被高電壓擊穿，電阻減小到千歐級別甚至更低，以此來實現存儲目的。正式基于他們這樣的特性，他們在OTP存儲器設計領域占據著重要的位置。2005年的美國專利US6927997中就提出了一種現在被廣泛應用的三管antifuse存儲器，其架構如圖2所示。

但是，無論是熔絲還是反熔絲構成的OTP存儲器，都是基于電介質的擊穿特性，不可避免地會帶來一定的穩定性問題。同時，有的熔絲和反熔絲存儲器需要特殊的材料來構成熔絲和反熔絲，其存儲單元需要高壓選通管，存儲單元面積也比較大。編程所需的高電壓也為外圍電路的設計和優化提出了挑戰。