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(System On Chip,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-Volatile Memory,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UHF RFID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。

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第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 课题研究意义

1.3 论文的主要内容和结构安排

第二章 超高频无源标签性能与存储器功耗关系

2.1 标签识别距离与功耗的关系

2.2 本章小结

第三章 非挥发性存储器原理研究与分析

3.1 NVM概述

3.2 只读存储器原理介绍

3.3 RRAM

3.4 铁电存储器

3.5 纯逻辑NVM

3.6 几种非挥发性存储器比较

3.7 本章小结

第四章 MTP存储单元与阵列设计

4.1 MTP存储单元原理设计与分析

4.2 MTP存储阵列设计

4.3 本章小结

第五章 纯逻辑MTP存储器电路设计

5.1 MTP 存储器芯片系统架构设计

5.2 译码电路设计

5.3 电平转换电路设计

5.4 高压管理单元设计

5.5 灵敏放大器设计

5.6 本章小结

第六章 存储器功能仿真

6.1 MTP存储器总体特性

6.2 MTP读功能仿真

6.3 MTP编程功能仿真

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

致谢

参考文献

附录