基于标准CMOS工艺的纯逻辑非挥发性存储器关键技术研究

【摘要】在电子产品中、SOC（SystemOnChip，片上系统）或者ASIC设计中，经常需要小容量（几十比特数到几K比特数）的NVM（Non-VolatileMemory，非挥发性存储器），但是传统的NVM由于需要多层多晶硅来形成浮栅器件，其制造生产相对于标准CMOS工艺来说，需要额外的光罩和工艺步骤，不但工艺复杂而且生产成本高，不利于系统集成；并且擦写时因为需要15V左右的高压，从而导致功耗较高，在低功耗、低成本的应用场合（如RFID）并不适用。本文主要研究基于标准CMOS工艺的纯逻辑非挥发性存储器。本文针对UHFRFID应用，创新性地采用标准CMOS工艺设计出纯逻辑非挥发性存储器，也称为MTP（本文把研究对象称为MTP）；并提出相应的存储阵列。本文采用两个栅极对接的MOS电容来模拟浮栅结构，存储信息。两个对接的MOS电容栅极面积一大一小，栅极面积大的就相当于控制栅电容（类似于Flash和EEPROM的控制栅），控制栅电容可以用来控制浮栅中的电压大小，以便形成产生FN遂穿效应所需的电场；浮栅中电荷的俘获和移除通过遂穿效应来完成。另外，本文还创新性地采用新型的电荷泵系统，引进快慢时钟的方法分两步爬坡的形式来完成高压的抬升，拉长整体升压时间，降低编程功耗；此外，为了减少功耗，采用电容分压的形式来检测电压；采用全PMOS设计出新型的倍压器，降低了传输过程中的电荷损失，采用四相位时钟进行逻辑控制来防止PMOS管反向漏电，使得倍压器在低至1V的情况下效率仍达到60%以上，使得MTP存储器能在低电压下编程成功。本文使用Spectre工具进行电路的设计，使用Hspice和Spectre进行电路仿真；仿真结果表明，本文设计的MTP存储器最小读电压为1V，功耗在1uW左右；最小编程电压为1.3左右，相应的功耗为15uW左右，相对于传统EEPROM来说，优势非常明显。
【作者】张永生；
【导师】王彬；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，微电子学与固体电子学，2014，硕士
【关键词】存储器；纯逻辑；RFID；UHF；

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