专利名称：非挥发性静态随机存取存储器装置及其操作方法
技术领域：
本发明有关于非挥发性静态随机存取存储器(Non-Volatile Static RandomAccess Memory, NVSRAM)及其操作方法，特别地，单一非挥发性元件(non-volatileelement)内建于传统静态随机存取存储器单元(SRAM cell)中而形成本发明非挥发性静态随机存取存储器单元(NVSRAM cell)。本发明的复数个非挥发性静态随机存取存储器单元可被整合为一紧密存储器阵列。因为本发明的非挥发性静态随机存取存储器单元的新结构，可省去传统非挥发性静态随机存取存储器单元使用的切换元件，该切换元件是用来隔离将静态随机存取存储器单元与写入和抹除动作时的高电压，同时，也简化非挥发性静态随机存取存储器单元的操作。本发明的非挥发性静态随机存取存储器单元兼具传统静态随机存取存储器读/写的速度及非挥发性元件的非挥发特性。
背景技术：
半导体存储器已经广泛地应用在电子系统。电子系统需要半导体存储器来储存指令和数据，该些指令和数据是复杂运算过程的控制基本功能所衍生出来。半导体存储器可分为挥发性存储器和非挥发性存储器。挥发性存储器包括静态随机存取存储器(SRAM)和动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory, DRAM)，其储存数据在存储器电源关掉后会消失。然而，非挥发性存储器，如只读存储器(Read Only Memory, ROM)、电子可抹除可程式只读存储器(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory, EEPR0M)和快闪存储器(Flash)，其储存数据在存储器电源关掉后仍会保存。在电子系统的一应用领域中，尤其在电源中断或故障的情况下，挥发性存储器和非挥发性存储器的结合应用就显得特别重要。例如，交易记录和服务器数据储存、印表机、医疗设备和汽车撞击记录等是其主要应用范畴。这些应用的解决方案，已经从静态随机存取存储器结合控制器和电池、静态随机存取存储器结合电池，进展至非挥发性静态随机存取存储器结合放电电容器。如今，对这些应用而言，非挥发性静态随机存取存储器结合放电电容器的解决方案是最紧致整合(compact and integrated)的系统。在半导体非挥发性静态随机存取存储器的早期发展阶段，非挥发性静态随机存取存储器是由一对一镜像(one to one image)非挥发性元件(例如，电子可抹除可程式只读存储器或快闪存储器)单元阵列及静态随机存取存储器单元阵列所构成。在丧失电源的情况下，当内建于传统非挥发性静态随机存取存储器装置的一电源检测电路会检测到电源衰减(power dropping)时,会开始利用放电电容器或备用电池的电源,将静态随机存取存储器中的数据移至非挥发性元件。因为非挥发性元件和静态随机存取存储器阵列相互隔离，非挥发性存储器在写入和抹除等操作时的高电压不会触及静态随机存取存储器操作的低电压电路。于此，静态随机存取存储器阵列是作为非挥发性存储器程式化(programming)时的数据暂存器。然而，由于两个被隔离的非挥发性存储器阵列和静态随机存取存储器阵列及其周边电路，因此采用上述传统方式的电路较不紧致也较没效率。为了紧致度、较佳的操作速度和降低成本，将非挥发性元件和静态随机存取存储器单元整合成单一非挥发性静态随机存取存储器单元是不变的目标。有几个非挥发性静态随机存取存储器基本单元(NVSRAM unit cell)的方法已被提出，例如美国专利公告号码US 7164608、US 7110293、US 7307872及US 7663917等文献。虽然这些单一基本单元(single-unit-cell)的方法业已改善其紧密度、操作速度和降低成本,但大多数非挥发性静态随机存取存储器单元仍需多个切换器(switch)来隔离非挥发性静态随机存取存储器单元中的静态随机存取存储器单元部分和非挥发性元件。此乃因挥发性和非挥发性单元装置的高/低电压操作不相容性所致。其中有些方法亦需要两个非挥发性元件来分别拉高(pull up)和拉低(pull down)静态随机存取存储器单元的位线(bitline)和互补位线(complementary bitline)。这些方法明显地会增加晶体管元件的数目和操作的复杂度。如图1(美国专利公告号码US 6556487文献的图4)显示由Ratnadumar等人在美国专利公告号码US 6556487文献中揭露内建于6T(六个晶体管)静态随机存取存储器单元110的单一非挥发性元件。在图I中的非挥发性静态随机存取存储器单元100结构中，非挥发性元件NV的源极(source)和漏极(drain)分别连接至静态随机存取存储器单元110中存取晶体管(access transistor)MN3 的电极(electrode)a2 和反向器(inverter)MPl 与 MNl间之的输出节点(node)al。在非挥发性元件NV的进行程式化/抹除(erase)操作时，难 免需要施加一高电压偏压(bias)于该非挥发性元件NV的源极或漏极。基于性能和尺寸的考量，一般静态随机存取存储器单元中的金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorField Effect Transistors, M0SFETS)被设计为以低电压操作的，故与非挥发性元件的高电压程式化/抹除操作是不相容的。因此，非挥发性静态随机存取存储器单元100中的静态随机存取存储器单元110的性能和尺寸就必须妥协。同样，因高/低电压操作的不相容性的缘故，丽3和MN4的栅极必须要形成两条分离的字元线(wordline)(如图I中的字元线_1和字元线_2)，相较于传统的6T静态随机存取存储器中的MN3和MN4的栅极(gate)只形成单一字元线。此外，当施加于非挥发性元件的栅极电压低于非挥发性元件的高临界电压(threshold voltage)时,非挥发性元件NV是关闭(off)状态,而断开(disconnect)反向器MP1/MN1的输出节点al与该存取晶体管丽3之间的电气连接。当静态随机存取存储器110进行正常的读/写操作时,必须施加一高控制栅极电压(high control gate voltage)远高于非挥发性元件的高/低临界电压，使反向器MP1/MN1输出节点al的电压经由存取晶体管丽3被传送(pass)至位线。
发明内容
为了解决上述的问题，本发明揭示一种非挥发性静态随机存取存储器单元，是将单一非挥发性元件内建于传统6T (六个晶体管)或2R4T (两个电阻及四个晶体管)静态随机存取存储器单元内。本发明的目的之一是，提供一种非挥发性静态随机存取存储器单元，包含一静态随机存取存储器元件，以及一非挥发性存储器元件。所述静态随机存取存储器元件包含一闩锁器，设有两个输出节点；以及，两个存取晶体管，各所述存取晶体管耦接在所述两个输出节点的其一与一对位线的其一之间。所述非挥发性存储器元件，耦接在所述两个输出节点的其一与一电压线之间。本发明的目的之一是，提供一种方法，用以在一非挥发性静态随机存取存储器单元和一对位线之间传递数据，所述非挥发性静态随机存取存储器单元包含一静态随机存取存储器元件和一非挥发性存储器元件，所述静态随机存取存储器元件包含一 R锁器和两个存取晶体管，所述R锁器设有两个输出节点，各所述存取晶体管耦接在所述两个输出节点的其一与所述对位线的其一之间，所述非挥发性存储器元件耦接在所述两个输出节点的其一与一电压线之间，所述方法包含以下步骤藉由关闭(turn off)所述非挥发性存储器元件，以电气隔离所述非挥发性存储器元件与所述静态随机存取存储器元件；当所述静态随机存取存储器元件运作于一读取模式时，预先充电所述对位线至一预定电压准位；当所述静态随机存取存储器元件运作于一写入模式操作时，提供数据于所述对位线上；以及，导通所述两个存取晶体管直到所述读取模式和所述写入模式的其一完成为止。本发明的目的之一是，提供一种方法，用以从一非挥发性静态随机存取存储器单元的一非挥发性存储器元件载入数据至一静态随机存取存储器元件，所述静态随机存取存储器元件包含一 R锁器和两个存取晶体管，所述R锁器设有两个输出节点，各所述存取晶体管耦接在所述两个输出节点的其一与一对位线的其一之间，所述非挥发性存储器元件耦 接在于一电压线和一连接节点之间，所述连接节点是所述两个输出节点之其一，所述方法包含藉由导通所述些存取晶体管，以选择性地传递来自所述对位线的两数据位元，而使得所述连接节点有一预设电压；藉由关闭所述两个存取晶体管，将所述对位线电气隔离开所述闩锁器和所述非挥发性存储器元件；施加所述静态随机存取存储器元件的一工作电压及一接地电压和之其一至所述电压线；以及，施加一中间电压至所述非挥发性存储器元件的控制栅极，而使得所述非挥发性存储器元件所储存的一数据位元被写入至所述静态随机存取存储器元件；其中所述中间电压是介于所述非挥发性存储器元件的一第一临界电压和一第二临界电压之间。本发明的目的之一是，提供一种方法，用以将一非挥发性静态随机存取存储器单元之一静态随机存取存储器元件的一数据位元储存至一非挥发性存储器元件，所述静态随机存取存储器元件包含一 R锁器和两个存取晶体管，所述R锁器设有两个输出节点，各所述存取晶体管耦接于所述两个输出节点的其一与一对位线的其一之间，所述非挥发性存储器元件耦接于一电压线和一连接节点之间，所述连接节点为所述两个输出节点的其一，所述方法包含当所述非挥发性存储器元件具有一第一临界电压时，施加一第一电压于所述电压线；当所述非挥发性存储器元件具有一第二临界电压时，施加一第一高电压于所述电压线；当所述非挥发性存储器元件为N型且具有所述第一临界电压时，施加一第二高电压于所述非挥发性存储器元件的控制栅极，否则施加一第二电压于所述非挥发性存储器元件的控制栅极；以及，根据所述连接节点的电压和所述非挥发性存储器元件的型态，导致所述非挥发性存储器元件具有一相对应的临界电压；其中所述第一临界电压小于所述第二临界电压；其中所述第一电压等于或小于一接地电压；以及，其中所述第二电压小于所述静态随机存取存储器元件的一工作电压，且所述工作电压不等于所述接地电压。通过本发明的非挥发性静态随机存取存储器单元及其操作方法，非挥发性静态随机存取存储器单元具有静态随机存取存储器的读/写功能及非挥发性存储器的非挥发特性。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I是在美国专利公告号码US 6556487文献中使用的单一非挥发性元件的非挥发性静态随机存取存储器单元的电路示意图；图2是根据本发明的一实施例，显示非挥发性静态随机存取存储器单元的电路示意图，其中单一 N型非挥发性兀件内建于一传统6T静态随机存取存储器单兀中；图3是根据本发明的图2实施例，显示非挥发性静态随机存取存储器单元阵列和其相关的静态随机存取存储器写入电路和读取电路的示意图；图4是传统静态随机存取存储器与入电路和读取电路的例子不意图； 图5是根据本发明的另一实施例，显示非挥发性静态随机存取存储器单元的电路示意图，使用单一 P型非挥发性元内建于一 6T静态随机存取存储器单元中；图6是根据本发明的图5实施例，显示非挥发性静态随机存取存储器单元阵列和其相关的静态随机存取存储器写入电路和读取电路的示意图；图7是根据本发明的另一实施例，显示非挥发性静态随机存取存储器单元的电路示意图，其中单一 N型非挥发性元件系内建于一传统2R4T静态随机存取存储器单元中；图8是根据本发明的图7实施例，显示非挥发性静态随机存取存储器单元阵列和其相关的静态随机存取存储器写入电路和读取电路的示意图；图9是根据本发明的另一实施例，显示非挥发性静态随机存取存储器单元的电路示意图，其中单一 P型非挥发性元件系内建于一传统2R4T静态随机存取存储器单元中；图10是根据本发明的图9实施例，显示非挥发性静态随机存取存储器单元阵列和其相关的静态随机存取存储器写入电路和读取电路的示意图。附图标号100,200非挥发性静态随机存取存储器单元500、700、900非挥发性静态随机存取存储器单元110 6T静态随机存取存储器单元410静态随机存取存储器写入电路420静态随机存取存储器读取电路710 2R4T静态随机存取存储器单元NV非挥发性元件NNV N型非挥发性元件PNV P型非挥发性元件MP1/MN1、MP2/MN2交互耦合反向器丽3、MN4存取晶体管
具体实施例方式以下之说明将举出本发明的数个较佳的示范实施例，熟悉本领域者应可理解，本发明可采用各种可能的方式实施，并不限于下列示范的实施例或实施例中的特征。
图2是根据本发明的一实施例，显示一非挥发性静态随机存取存储器单元200的电路示意图。在该非挥发性静态随机存取存储器单元200中，一 N型非挥发性元件NNV内建(embedded)于一 6T静态随机存取存储器单元110 (包含晶体管MP1、MP2、MN1、MN2、MN3及MN4)中。该N型非挥发性元件NNV的节点xl连接至反向器MP1/MN1的输出节点以及存取晶体管MN3的一电极，其中存取晶体管MN3具有另一电极连接至静态随机存取存储器单元110的互补位线5 型非挥发性元件NNV的另一节点yl则连接至一外部线(externalline)D。N型非挥发性元件NNV可藉由注入电子(injecting electrons)至其储存材质(storing materials)(如多晶娃(poly-silicon)、氮化物介电质(nitride dielectrics)或奈米微粒(nano-particles))中，而被程式化至较高临界电压。亦可取出N型非挥发性元件NNV储存材质上的电子或注入些许电洞，而将N型非挥发性元件NNV抹除至较低临界电压。在静态随机存取存储器的读/写模式中，施加于N型非挥发性元件NNV的控制栅极电压(通常为零电压)低于N型非挥发性元件的较低临界电压，故该N型非挥发性元件NNV为关闭状态(off)，且与反向器MP1/MN1的输出节点电气分离(detach)(且与静态随机存取存储器单元110电气分离)。此时，非挥发性静态随机存取存储器单元200的读/写操作，相当于静态随机存取存储器单元110的正常读/写操作。一实施例中，当静态随机存取存 储器单元Iio开始运作于一读取模式时,位线对B和5会被预先充电(precharge)至V。。,接着两个存取晶体管MN3和MN4被导通，以使该静态随机存取存储器单元110透过静态随机存取存储器读取电路420进行读取动作。当静态随机存取存储器单元110开始运作于一写入模式时，藉由静态随机存取存储器写入电路410，两个预定的数据位元被载入至位线对B和I上，接着，两个存取晶体管MN3和MN4被导通以便该静态随机存取存储器单元110进行写入动作。N型非挥发性元件NNV的较低临界电压和较高临界电压的状态分别是以逻辑“I”和“O”表示。将静态随机存取存储器110的数据储存至非挥发性元件NNV的一实施例中，可于N型非挥发性元件的栅极和基底(substrate)间施加一高电压，利用传统傅勒-诺德翰穿隧效应(Fowler-Nordheim tunneling),将非挥发性元件NNV抹除至较低临界电压。非挥发性元件NNV具较低临界电压的状态被设定成初始状态(亦定义为逻辑状态“I”)。在初始运作时，非挥发性元件NNV被清除(clear)至较低临界电压状态(逻辑状态“ I”)。不论透过一外部的“储存”指令或被一内部的电压供应检测电路(voltage supply detectioncircuitry)(图未示)触发，静态随机存取存储器单元110中的数据被要求储存至该非挥发性元件NNV中。揭示于美国专利公告号码US 7733700(上述专利的内容在此被整体引用作为本说明书内容的一部份)文献中的程式化方法，被用于施加漏极电压V。。和反向(reversed)源极/基底偏压至该N型非挥发性元件NNV。本发明利用该程式化方法将N型非挥发性元件NNV程式化至较高临界电压(以逻辑状态“O”表示)。在进行储存的初始阶段，丽3和MN4的栅极(相当于静态随机存取存储器单元110的字元线)和该外部线D被施加一低电压Vss当作偏压，在此，该低电压Vss等于或小于零的电压。因此，位线B和互补位线B便与交互耦合反向器和非挥发性元件NNV电气分离。具数据“O”的静态随机存取存储器单元110，其反向器MP1/MN1输出节点xl的电压为V。。。当施加一高栅极电压(例如，大于操作电压V。。)于N型非挥发性元件NNV的控制栅极时，漏极电压(相当于反向器MPl/丽I的输出节点)为V。。的N型非挥发性元件NNV即被程式化至较高临界电压。具数据“I”的静态随机存取存储器单元110，其反向器MP1/MN1输出节点Xl的电压为Vss。因为N型非挥发性元件NNV的源极(连接外部线D)和漏极都被施加一偏压Vss，被施加该高控制栅极电压的N型非挥发性元件NNV也无法被程式化至较高临界电压。依此，每一个静态随机存取存储器单元110中的数据就被载入至其相对应的非挥发性元件NNV。将静态随机存取存储器110的数据储存至非挥发性元件NNV的另一实施例中，全部非挥发性元件NNV最初都被程式化至初始值“O”的高临界电压。在初始运作时，非挥发性元件NNV被清除成其较高临界电压状态。当静态随机存取存储器单元110的数据被要求储存至N型非挥发性元件NNV中时，本发明使用美国专利公告号码US 7515465(上述专利的内容在此被整体引用作为本说明书内容的一部份)文献中所揭露的向下抹除(erase-down)的方法,是分别施加一个接近N型非挥发性元件NNV的本质(intrinsic)临界电压(几乎无电荷储存于储存材质中)的低栅极电压(low gate voltage)和一个高漏极电压(high drain voltage)(透过外部线D)于该非挥发性元件NNV的栅极和漏极。具数据“I”的静态随机存取存储器单元110，其反向器MP1/MN1之输出节点xl的电压为Vss=0。当施加一个接近该非挥发性元件NNV本质临界电压的控制栅极电压Veg于该非挥发性元件 NNV的控制栅极时，对于具数据“I”的静态随机存取存储器单元110，其非挥发性元件的临界电压就被向下抹除至较低临界电压。对于具数据“O”的静态随机存取存储器单元110，其反向器MP1/MN1输出节点的电压等于V。。。因为施加的控制栅极电压相对于源极的电压差(即m)远低于该非挥发性元件本质临界电压，故对于具数据“O”的静态随机存取存储器单元110，其非挥发性元件NNV不能被向下抹除至较低临界电压。依此，每一个静态随机存取存储器单元110中的数据就被载入至其相对应的非挥发性元件NNV。如图3所示，欲从非挥发性元件NNV载入数据至其相对应的静态随机存取存储器单元110時,载入顺序开始于启动(enable)静态随机存取存储器写入电路(SRAM writecircuitry) 410(详见图4)，以将初始值“O”写入至全部静态随机存取存储器单元110中。此时，交互I禹合反向器(cross-coupled inverters)MP1/MN1 (经由晶体管MN3连接至互补位线；i)和MP2/MN2(经由晶体管MN4连接至位线B)的输出节点(xl，zl)的电压(Vxl，Vzl)分别是V。。(操作电压)和Vss (=0,等于接地电压,ground voltage)。静态随机存取存储器单元110的字元线(相当于MN3和MN4的栅极)随后被施加零电压而未被选择到(deselected),于是交互耦合反向器便与位线B及互补位线万电气分离。同时，外部线D的电压被设为Vss (接地电压)。当施加于N型非挥发性元件NNV的控制栅极(相当于N型非挥发性元件的被选择(selected)字元线)电压系介于N型非挥发性元件NNV的较低临界电压和较高临界电压间时，内建于静态随机存取存储器单元110中，具储存值“I”的N型非挥发性元件NNV便被导通，而反向器MP1/MN1的输出节点xl的电压就被外部线D拉低至Vss。因此，静态随机存取存储器单元110最初储存值“O”被改写为“I”。至于内建于静态随机存取存储器单元110中具储存值“O”的N型非挥发性元件被关闭，故静态随机存取存储器单元110的最初储存值“O”仍维持是“O”。非挥发性静态随机存取存储器单元200便完成了从N型非挥发性元件NNV载入数据至相对应的静态随机存取存储器单元110的动作。在施加于N型非挥发性元件NNV的控制栅极电压被切换成零电压以电气分离该非挥发性元件NNV与该静态随机存取存储器单元110之后，非挥发性静态随机存取存储器单元200便回到正常的静态随机存取存储器读/写操作。
图5是根据本发明的另一实施例，显示一非挥发性静态随机存取存储器单元500的电路示意图。在该非挥发性静态随机存取存储器单元500中，一 P型非挥发性元件PNV内建于一 6T静态随机存取存储器单元110 (包含晶体管MP1、MP2、丽I、丽2、丽3及MN4)中。P型非挥发性元件PNV的一节点x2连接至反向器MP1/MN1的输出节点和存取晶体管丽3的一电极，其中存取晶体管MN3有另一电极连接至静态随机存取存储器单元110的互补位线5 J型非挥发性元件PNV的另一节点y2则连接至一外部线D。P型非挥发性元件PNV可藉由注入电子至其储存材质(如多晶硅、氮化物介电质或奈米微粒)上，而被程式化至较低临界电压(P型非挥发性元件PNV被关闭(turn off)时需一相对较正的栅极电压)。亦可取出P型非挥发性元件PNV储存材质上的电子或注入些许电洞，而将P型非挥发性元件PNV抹除至较高临界电压(P型非挥发性元件PNV被导通(turn on)时需一个相对较负的栅极电压)。在静态随机存取存储器的读/写模式中，P型非挥发性元件PNV的控制栅极被施加一高栅极电压Vh，且该高栅极电压Vh比P型非挥发性元件的全部临界电压还要较正的电压。于是，全部P型非挥发性元件PNV为关闭(off)状态，且与反向器MP1/MN1的输出节点x2电气分离。此时，非挥发性静态随机存取存储器单元500的读/写操作，相当于静态随机存取存储器单元110的正常读/写操作。P型非挥发性元件PNV的较低临界电压和较高临界电压的状态分别是以逻辑“O”和“ I”表示。将静态随机存取存储器Iio的数据储存至P型非挥发性元件PNV的一实施例中，可于P型非挥发性元件的栅极和基底间施加一高电压，利用传统傅勒-诺德翰穿隧效应，从基底把电子注入至储存材质上，而导致P型非挥发性元件具有较低临界电压(关闭时需一相对较正的栅极电压)。P型非挥发性元件PNV具较低临界电压的状态被设定成初始状态(亦定义为逻辑状态“O”)。另一方面，P型非挥发性元件PNV具较高临界电压的状态则以逻辑状态“I”表示。在初始运作时，P型非挥发性元件PNV首先被清除至较低临界电压状态。不论透过一外部的“储存”指令或被一内部的电压供应检测电路(图未示)触发，静态随机存取存储器单元110中的数据被要求储存至P型非挥发性元件PNV中。在进行储存的初始阶段，丽3和MN4的栅极(相当于静态随机存取存储器单元110的字元线)和外部 线D被施加一低电压Vss当作偏压，在此，该低电压Vss等于或小于零电压。因此，位线B和互补位线万便与交互耦合反向器和非挥发性元件PNV电气分离。具数据“O”的静态随机存取存储器单元110，其反向器MP1/MN1输出节点x2的电压为V。。。当施加一低栅极电压(小于V。。)于P型非挥发性元件的控制栅极时，漏极(相当于反向器MP1/MN1的输出节点x2)电压为V。。的P型非挥发性元件被抹除至较高临界电压。对于具数据“I”的静态随机存取存储器单元110，其反向器MP1/MN1输出节点x2的电压为Vss。因为P型非挥发性元件PNV的漏极(连接外部线D)和源极都被施加一偏压Vss，被施加该低栅极电压的P型非挥发性元件PNV无法被抹除至较高临界电压。依此，每一个静态随机存取存储器单元110中的数据就被载入至其相对应的非挥发性元件PNV。将静态随机存取存储器110的数据储存至P型非挥发性元件PNV的另一实施例中，所有的非挥发性元件PNV—开始就被抹除至较高临界电压(即初始逻辑状态“I”)。在初始运作时，P型非挥发性元件PNV被清除成较高临界电压状态。当静态随机存取存储器单元110的数据被要求储存至P型非挥发性元件PNV中时，本发明采用美国专利公告号码US 7515465(上述专利的内容在此被整体引用作为本说明书内容的一部份)中所揭露的向上程式化(program-up)的方法,系分别被施加一个接近P型非挥发性元件PNV的本质临界电压(几乎无电荷储存于储存材质中)的低栅极电压和一高漏极电压(透过外部线D)于非挥发性元件PNV的栅极和漏极。对于具数据“O”的静态随机存取存储器单元110而言，其反向器MP1/MN1的输出节点x2的电压为V。。。当施加一个接近P型非挥发性元件PNV本质临界电压的控制栅极电压于该非挥发性元件PNV时，对于具数据“O”的静态随机存取存储器单元110而言,其非挥发性元件PNV的临界电压就被向下程式化(program-down)至较低临界电压。对于具数据“I”的静态随机存取存储器单元110而言，其反向器MP1/MN1输出节点x2的电压为Vss=0。因为施加的控制栅极电压相对于源极的电压差Vcigs(=VcJ为正且P型非挥发性元件PNV是关闭(off)狀態，对于具数据“I”的静态随机存取存储器单元110，其P型非挥发性元件PNV无法被向下抹除至较低临界电压。依此，每一个静态随机存取存储器单元110中的数据就被载入至其相对应的非挥发性元件PNV。如图6所示，欲从非挥发性元件PNV载入数据至其相对应的静态随机存取存储器单元110时,载入顺序开始于启动(enable)静态随机存取存储器写入电路(SRAM writecircuitries)410(详见图4)，以将初始值“I”写入至全部静态随机存取存储器单元110 中。因此在交互耦合反向器MP1/MN1 (经由晶体管丽3连接至互补位线云)和MP2/MN2(经由晶体管MN4连至位线B)的输出节点(x2，z2)的电压(Vx2，Vz2)分别是Vss=O (接地电压)和V。。。静态随机存取存储器单元110的字元线(相当于MN3和MN4的栅极)随后被施加零电压而未被选择到，于是交互耦合反向器便与位线B及互补位线万电气分离。同时，外部线D的电压被设为V。。。当施加于P型非挥发性元件的控制栅极(相当于P型非挥发性元件的被选择字元线)电压介于P型非挥发性元件的较低临界电压和较高临界电压间时，具储存值“O”的P型非挥发性元件便被导通，透过外部线D将反向器MP1/MN1的输出节点X2的电压拉高(pull up)至V。。。因此，静态随机存取存储器单元110的最初储存值“I”被改写为“O”。至于具储存值“I”的P型非挥发性元件则被关闭，故静态随机存取存储器单元110的最初储存值“I”仍维持是“I”。以上，非挥发性静态随机存取存储器单元500便完成了从P型非挥发性元件PNV载入数据至相对应的静态随机存取存储器单元110的动作。在施加于P型非挥发性元件PNV的控制栅极电压被切换成一高栅极电压Vh (比P型非挥发性元件的全部临界电压还要正的电压)，以电气分离非挥发性元件PNV与静态随机存取存储器单元110之后，非挥发性静态随机存取存储器单元500就回到正常的静态随机存取存储器读/写操作。图7是根据本发明的另一实施例，显示一非挥发性静态随机存取存储器单元700的电路示意图。在该非挥发性静态随机存取存储器单元700中，一 N型非挥发性元件NNV内建于一 2R4T (两个电阻及四个晶体管)静态随机存取存储器单元710中。图8显示非挥发性静态随机存取存储器单元阵列和其相对应静态随机存取存储器写入电路410和读取电路420的示意图。对于图7中的非挥发性静态随机存取存储器单元700，在静态随机存取存储器模式的读/写操作、将静态随机存取存储器710的数据储存至其相对应的N型非挥发性元件NNV的运作、以及从N型非挥发性元件NNV载入数据至静态随机存取存储器单元710的运作，都相同于图2的非挥发性静态随机存取存储器单元200的运作方式，于此不再赘述。图9是根据本发明的另一实施例，显示一非挥发性静态随机存取存储器单元900的电路示意图。在该非挥发性静态随机存取存储器单元900中，一 P型非挥发性元件PNV内建于该静态随机存取存储器单元710中。图10显示非挥发性静态随机存取存储器单元阵列和其相对应静态随机存取存储器写入电路410和读取电路420的示意图。对于图9中的非挥发性静态随机存取存储器单元900，在静态随机存取存储器模式的读/写操作，将静态随机存取存储器的数据储存至其相对应的P型非挥发性元件PNV的运作，以及从P型非挥发性元件PNV载入数据至静态随机存取存储器单元710的运作，都相同于图5的非挥发性静态随机存取存储器单元500的运作方式，于此不再赘述。请注意，在以上揭示中，每一外部线D的方向与位线对B和万平行。然而，此仅为本发明的一实施例，而非本发明的限制。在实际运作上，外部线D的方向取决阵列和电路的设计，亦属本发明的范畴。再者，请注意，在以上揭示中，该非挥发性元件NV耦接于反向器MP1/MN1的输出节点(xl or x2)和外部线D之间。然而，此仅为本发明的一实施例，而非本发明的限制。在 另一实施例中，该非挥发性元件NV耦接于反向器MP2/MN2的输出节点(zl or z2)和外部线D之间。综而言之，本发明非挥发性静态随机存取存储器单元及其操作方法已被揭示。本发明非挥发性静态随机存取存储器单元具有静态随机存取存储器的读/写功能及非挥发性存储器的非挥发特性。以上虽以实施例说明本发明，但并不因此限定本发明的范围，只要不脱离本发明的要旨，该行业者可进行各种变形或变更，均应落入本发明的权利要求范围。
权利要求
1.一种非挥发性静态随机存取存储器单元，其特征在于，所述的非挥发性静态随机存取存储器単元包含 一静态随机存取存储器元件，包含 ー闩锁器，设有两个输出节点；以及 两个存取晶体管，各所述存取晶体管耦接在所述两个输出节点的其一与一对位线的其一之间；以及 一非挥发性存储器元件，耦接在所述两个输出节点的其一与一电压线之间。
2.根据权利要求I所述的非挥发性静态随机存取存储器单元，其特征在于，所述两个存取晶体管的两个栅极耦接至一字元线。
3.根据权利要求I所述的非挥发性静态随机存取存储器单元，其特征在于，所述闩锁器包含两个交互耦合反向器。
4.根据权利要求I所述的非挥发性静态随机存取存储器单元，其特征在于，所述静态随机存取存储器元件为一六个晶体管6T静态随机存取存储器元件或一两个电阻及四个晶体管2R4T静态随机存取存储器元件。
5.根据权利要求I所述的非挥发性静态随机存取存储器单元，其特征在于，在ー静态随机存取存储器元件读取模式或一静态随机存取存储器元件写入模式时，藉由关闭所述非挥发性存储器元件，来电气分离所述非挥发性存储器元件与所述静态随机存取存储器元件。
6.根据权利要求I所述的非挥发性静态随机存取存储器单元，其特征在干，当所述非挥发性存储器元件被关闭时，所述非挥发性静态随机存取存储器单元运作有如一静态随机存取存储器元件。
7.ー种方法，用以在ー非挥发性静态随机存取存储器单元和一对位线之间传递数据，其特征在于，所述非挥发性静态随机存取存储器单元包含一静态随机存取存储器元件和一非挥发性存储器元件，所述静态随机存取存储器元件包含一 R锁器和两个存取晶体管，所述闩锁器设有两个输出节点，各所述存取晶体管耦接在所述两个输出节点的其一与所述对位线的其一之间，所述非挥发性存储器元件耦接在所述两个输出节点的其一与一电压线之间，所述方法包含以下步骤 藉由关闭所述非挥发性存储器元件，以电气隔离所述非挥发性存储器元件与所述静态随机存取存储器元件； 当所述静态随机存取存储器元件运作于一读取模式吋，预先充电所述对位线至ー预定电压准位； 当所述静态随机存取存储器元件运作于一写入模式操作时，提供数据于所述对位线上；以及 导通所述两个存取晶体管直到所述读取模式和所述写入模式的其一完成为止。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述两个存取晶体管的ニ栅极耦接至一字元线。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述电气隔离步骤更包含 施加一栅极电压至所述非挥发性记忆元件的控制栅极以关闭所述非挥发性存储器元件；其中，若所述非挥发性存储器元件为N型，则所述栅极电压低于所述非挥发性存储器元件的临界电压，否则，所述栅极电压高于所述非挥发性存储器元件的临界电压。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述预定电压准位实质上等于所述静态随机存取存储器元件的工作电压，且所述工作电压不是一接地电压。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述静态随机存取存储器元件是一6T静态随机存取存储器元件或一 2R4T静态随机存取存储器元件。
12.一种方法，用以从一非挥发性静态随机存取存储器单元的一非挥发性存储器元件载入数据至一静态随机存取存储器元件，其特征在于，所述静态随机存取存储器元件包含一闩锁器和两个存取晶体管，所述闩锁器设有两个输出节点，各所述存取晶体管耦接在所述两个输出节点的其一与一对位线的其一之间，所述非挥发性存储器元件耦接在于一电压线和一连接节点之间，所述连接节点是所述两个输出节点之其一，所述方法包含 藉由导通所述些存取晶体管，以选择性地传递来自所述对位线的两数据位元，而使得所述连接节点有一预设电压； 藉由关闭所述两个存取晶体管，将所述对位线电气隔离开所述闩锁器和所述非挥发性存储器元件； 施加所述静态随机存取存储器元件的一工作电压及一接地电压和之其一至所述电压线；以及 施加一中间电压至所述非挥发性存储器元件的控制栅极，而使得所述非挥发性存储器元件所储存的一数据位元被写入至所述静态随机存取存储器元件； 其中所述中间电压是介于所述非挥发性存储器元件的一第一临界电压和一第二临界电压之间。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包含 在施加所述中间电压步骤之后，藉由关闭所述非挥发性存储器元件，以隔离所述非挥发性存储器元件与所述静态随机存取存储器元件。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包含 在所述传递步骤之前，藉由一静态随机存取存储器写入电路，选择性地提供所述两数据位元于所述对位线上。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述施加所述接地电压和所述工作电压之其一至所述电压线的步骤包含 若所述非挥发性存储器元件为N型，则施加所述接地电压至所述电压线，否则，施加所述工作电压至所述电压线。
16.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，若所述非挥发性存储器元件为N型，则所述预设电压为所述工作电压，否则所述预设电压为所述接地电压。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述第一临界电压小于所述第二临界电压。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法还包含 在施加所述中间电压的步骤之后，若所述非挥发性存储器元件为N型，导致具有所述第一临界电压的所述非挥发性存储器元件被导通，以设定所述连接节点等于所述接地电压，否则，导致具有所述第一临界电压的所述非挥发性存储器元件被导通，以设定所述连接节点等于所述工作电压。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法还包含 在施加所述中间电压的步骤之后，导致具有所述第二临界电压的所述非挥发性存储器元件被关闭，使所述连接节点维持所述预设电压。
20.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述些存取晶体管的两个栅极耦接至一字元线。
21.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述静态随机存取存储器元件是ー6T静态随机存取存储器元件或一 2R4T静态随机存取存储器元件。
22.—种方法，用以将ー非挥发性静态随机存取存储器单元之一静态随机存取存储器元件的一数据位元储存至一非挥发性存储器元件，其特征在干，所述静态随机存取存储器元件包含一闩锁器和两个存取晶体管，所述闩锁器设有两个输出节点，各所述存取晶体管耦接于所述两个输出节点的其一与一对位线的其一之间，所述非挥发性存储器元件耦接于一电压线和一连接节点之间，所述连接节点为所述两个输出节点的其一，所述方法包含 当所述非挥发性存储器元件具有一第一临界电压时，施加一第一电压于所述电压线； 当所述非挥发性存储器元件具有一第二临界电压时，施加一第一高电压于所述电压线； 当所述非挥发性存储器元件为N型且具有所述第一临界电压时，施加一第二高电压于所述非挥发性存储器元件的控制栅极，否则施加一第二电压于所述非挥发性存储器元件的控制栅扱；以及 根据所述连接节点的电压和所述非挥发性存储器元件的型态，导致所述非挥发性存储器元件具有ー相对应的临界电压； 其中所述第一临界电压小于所述第二临界电压； 其中所述第一电压等于或小于ー接地电压；以及 其中所述第二电压小于所述静态随机存取存储器元件的一工作电压，且所述工作电压不等于所述接地电压。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述两个存取晶体管的两个栅极耦接至一字元线。
24.根据权利要求22所述的方法，其特征在干，所述静态随机存取存储器元件是ー6T静态随机存取存储器元件或一 2R4T静态随机存取存储器元件。
25.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述第一高电压和所述第二高电压大于所述工作电压。
26.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，于施加所述第二电压的步骤期间，若所述非挥发性存储器元件具有所述第二临界电压，则所述第二电压为接近所述非挥发性存储器元件的本质临界电压。
27.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述的方法还包含 在施加所述第一电压的步骤之前，当所述非挥发性存储器元件具有所述第一临界电压时，关闭所述两个存取晶体管以使所述闩锁器和所述非挥发性存储器元件隔离所述对位线。
28.根据权利要求22所述的方法，其特征在干，导致所述非挥发性存储器元件具有所述相对应的临界电压的步骤包含 若所述连接节点承载所述工作电压且所述非挥发性存储器元件为N型，则导致所述非挥发性存储器元件具有所述第二临界电压；以及 若所述连接节点承载所述接地电压且所述非挥发性存储器元件为N型，则导致所述非挥发性存储器元件具有所述第一临界电压。
29.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，导致所述非挥发性存储器元件具有所述相对应的临界电压的步骤，包含 若所述连接节点承载所述工作电压且所述非挥发性存储器元件为P型，则导致所述非挥发性存储器元件改变一预设临界电压；以及 若所述连接节点承载所述接地电压且所述非挥发性存储器元件为P型，则导致所述非挥发性存储器元件维持所述预设临界电压。
30.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，导致所述非挥发性存储器元件改变所述预设临界电压状态，更包含 若所述预设临界电压等于所述第一临界电压，则导致所述非挥发性存储器元件具有所述第二临界电压；以及 若所述预设临界电压等于所述第二临界电压，则导致所述非挥发性存储器元件具有所述第一临界电压。
全文摘要
本发明提供一种非挥发性静态随机存取存储器单元，将单一非挥发性元件内建于传统静态随机存取存储器单元中而形成。复数个非挥发性静态随机存取存储器单元可被进一步整合为一紧密存储器阵列。本发明的非挥发性静态随机存取存储器单元兼具传统静态随机存取存储器读/写的速度及非挥发性存储器元件的非挥发特性。本发明亦揭露非挥发性静态随机存取存储器单元的操作方法。
文档编号G11C16/06GK102956264SQ20121027636
公开日2013年3月6日 申请日期2012年8月3日 优先权日2011年8月9日
发明者王立中 申请人:闪矽公司