多阈值OTP存储器单元以及控制方法与流程

本发明涉及存储器技术领域，更具体的说，涉及一种多阈值otp存储器单元以及控制方法。

背景技术：

随着科学技术的发展，越来越多的电子设备被广泛的应用于人们的日常生活以及工作单重，为人们的日常生活以及工作带来了巨大的便利，成为当今人们不可或缺的重要工具。

一般的，多数电子设备需要具有数据存储功能，故存储器是电子设备的一个主要部件。在嵌入式非挥发性存储器领域，基于反熔丝结构的otp(一次性可编程)存储器因其具有稳定性高、与cmos(互补金属氧化物半导体)工艺完全兼容以及编程容易等优点，被广泛应用于模拟电路微调、密钥和芯片id(身份识别卡)存储、sram(静态随机存取存储器)/dram(动态随机存取存储器)冗余设计以及rfid(射频识别)等领域。

目前，随着逻辑非易失性otp存储器ip(知识产权)内核在soc(片上系统)和iot(物联网)等芯片领域应用越来越多，otpip的存储容量也越来越大，为降低整体芯片的成本，otpip的面积变得越来越关键。因此，对多阈值otp存储器(mlc)有了更大的市场需求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明技术方案提供了一种多阈值otp存储器单元以及控制方法，可以使得otp存储器单元实现多阈值存储。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多阈值otp存储器单元，所述多阈值otp存储器单元包括：

厚栅氧高压选择器件；

多个与所述厚栅氧高压选择器件互联的薄栅氧低压存储器件；

其中，所述厚栅氧高压选择器件基于控制编程电流的大小来控制所述薄栅氧低压存储器件的击穿个数。

优选的，在上述多阈值otp存储器单元中，所述薄栅氧低压存储器件的源极均与所述厚栅氧高压选择器件的漏极电连接；

所述薄栅氧低压存储器件的衬底与所述厚栅氧高压选择器件的衬底均接地；

所述薄栅氧低压存储器件的漏极均浮空。

优选的，在上述多阈值otp存储器单元中，所述厚栅氧高压选择器件的栅极连接字线，所述字线用于输入第一电压；

所述薄栅氧低压存储器件的栅极用于输入可编程电压以及所述编程电流；

所述厚栅氧高压选择器件的源极连接位线，所述位线用于输出所述编程电流；

并联的所述薄栅氧低压存储器件为叉指型结构，叉指个数大于等于2个。

优选的，在上述多阈值otp存储器单元中，所述厚栅氧高压选择器件为nmos或pmos；

所述薄栅氧低压存储器件为nmos或pmos。

优选的，在上述多阈值otp存储器单元中，设定所述可编程电压为vpgm，所述编程电流为ipgm，所述薄栅氧低压存储器件击穿后的等效电阻为ron，所述击穿个数为n，n为正整数，

ipgm≥(vpgm/ron)*n；

其中，通过调节所述厚栅氧高压选择器件的栅极电压的大小控制所述编程电流ipgm。

优选的，在上述多阈值otp存储器单元中，所述薄栅氧低压存储器件与所述厚栅氧高压选择器件位于同一半导体衬底；

多个所述薄栅氧低压存储器件包括：形成在所述衬底之中的插指型有源区，覆盖在所述插指型有源区之上的薄栅氧化层以及栅极，其插指型有源区具有多块间隔排布的长条区域，其栅极横跨所有长条区域；

所述厚栅氧高压选择器件的栅极与所述薄栅氧低压存储器件的栅极同层，且二者分离。

优选的，在上述多阈值otp存储器单元中，所述厚栅氧高压选择器件的栅极以及所述薄栅氧低压存储器件的栅极均与一字线连接，所述字线输入所述编程电流以及可编程电压；通过限制所述字线内的所述编程电流以控制所述薄栅氧低压存储器件的击穿个数。

优选的，在上述多阈值otp存储器单元中，所述厚栅氧高压选择器件的栅极以及所述薄栅氧低压存储器件的栅极均通过调节电路与所述字线连接；

所述厚栅氧高压选择器件的源极连接位线；

其中，所述调节电路至少用于调节输入所述薄栅氧低压存储器件的栅极的电流，以为所述薄栅氧存储器件提供设定的所述编程电流。

优选的，在上述多阈值otp存储器单元中，所述调节电路包括多个并联支路，通过控制所述并联支路的导通个数控制所述击穿个数。

优选的，在上述多阈值otp存储器单元中，所述并联支路包括串联的开关元件和电阻元件。

优选的，在上述多阈值otp存储器单元中，所述薄栅氧低压存储器件与所述厚栅氧高压选择器件位于同一半导体衬底；

所述薄栅氧低压存储器件包括：形成在所述衬底之中的插指型有源区，覆盖在所述插指型有源区之上的薄栅氧化层以及栅极，其插指型有源区具有多块间隔排布的长条区域，其栅极横跨所有长条区域；

所述厚栅氧高压选择器件的栅极与所述薄栅氧低压存储器件的栅极同层，且二者为一体结构。

本发明还提供了一种控制方法，用于上述任一项所述的多阈值otp存储器单元，所述控制方法包括：

所述厚栅氧高压选择器件基于控制编程电流的大小来控制所述薄栅氧低压存储器件的击穿个数。

通过上述描述可知，本发明技术方案提供的多阈值otp存储器单元以及控制方法中，所述多阈值otp存储器单元包括：多个与所述厚栅氧高压选择器件互联的薄栅氧低压存储器件；其中，所述厚栅氧高压选择器件基于控制编程电流的大小来控制所述薄栅氧低压存储器件的击穿个数，从而使得otp存储器单元实现多阈值存储。本发明技术方案可以通过控制厚栅氧高压选择器件的栅端电压来控制编程电流的大小，进而控制叉指型薄栅氧低压存储器件的击穿个数，实现多阈值存储；可选择的，通过在编程字线端限制编程电流的大小也可控制叉指型薄栅氧低压存储器件的击穿个数，实现多阈值编程。

附图说明

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，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种otp存储器单元的切面图；

图2为图1所示otp存储器单元对应的等效电路；

图3为本发明实施例提供的一种otp存储器单元的俯视图；

图4为图3所示otp存储器单元对应的等效电路；

图5为本发明实施例提供的一种字线wl输入信号的时序图；

图6为本发明实施例提供的一种多阈值otp存储器单元的等效电路图；

图7为本发明实施例提供的一种对应图6所示方式的多阈值otp存储器单元的俯视图；

图8为本发明实施例提供的另一种多阈值otp存储器单元的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种对应图8所示方式的多阈值otp存储器单元的俯视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1，图1为本发明实施例提供的一种otp存储器单元的切面图，包括设置在同一衬底1上的薄栅氧低压存储器件以及厚栅氧高压选择器件。薄栅氧低压存储器件包括：形成在衬底1内的有源区2、位于衬底1表面上的薄栅氧化层4以及位于薄栅氧化层4表面的栅极5。厚栅氧高压选择器件包括：形成在衬底1内的有源区2、位于衬底1表面上的厚栅氧化层6以及栅极5。薄栅氧低压存储器件以及厚栅氧高压选择器件分别对应不同的有源区2。

参考图2，图2为图1所示otp存储器单元对应的等效电路，薄栅氧低压存储器件m2的栅极3与厚栅氧高压选择器件m1的栅极5连接，且均与字线wl连接。薄栅氧低压存储器件m2的衬底以及厚栅氧高压选择器件m1的衬底连接，且均接入低电位vss。厚栅氧高压选择器件m1的源极与位线bl连接，其漏极与薄栅氧低压存储器件m2的源极连接，薄栅氧低压存储器件m2的漏极浮空。对该otp存储器单元执行编程时，将高压加载薄栅氧低压存储器件m2的栅极3和有源区2，以0.18μm工艺为例，设定时间后，薄栅氧化层4的将被永久击穿。

如背景技术所述，随着逻辑非易失性otp(一次可编程)存储器ip(知识产权)内核在soc(片上系统)和iot(物联网)等芯片领域应用越来越多，otpip的存储容量也越来越大，为降低整体芯片的成本，otpip的面积变得越来越关键。因此，对多阈值otp存储器(mlc)有了更大的市场需求。

随着市场对mtp(多次可编程)存储器ip的需求越来越多，当器件工艺尺寸小于40nm，基于浮栅技术实现mtp越来越困难。通常需要通过多个otp存储单元并联的技术实现mtp，因此对单位bit(比特)otp存储单元的面积提出更高要求。多阈值otp存储器是缩小单位bitotp存储单元面积最有效的方法之一。一种实现方式如图3和图4所示。

参考图3和图4，图3为本发明实施例提供的一种otp存储器单元的俯视图，图4为图3所示otp存储器单元对应的等效电路，该方式中，同一衬底1上设置有厚栅氧高压选择器件m11以及多个与该厚栅氧高压选择器件m11电互联的薄栅氧存储器件m12。厚栅氧高压选择器件m11以及薄栅氧存储器件m12设置于同一衬底100。衬底100内设置有有源区110，有源区100为插指型有源区。有源区110上设置有栅极层。栅极层包括：厚栅氧高压选择器件m11的栅极130以及薄栅氧存储器件m12的栅极120，两种器件的栅极由同一层材料图案化制备，二者为一体结构，相互连接。有源区110与栅极层之间具有栅氧化层(图3中未示出)。栅氧化层包括：厚栅氧高压选择器件m11的厚栅氧化层以及薄栅氧存储器件m12的薄栅氧化层。

图4中，仅示出了一个厚栅氧高压选择器件m11以及3个与该厚栅氧高压选择器件m11电互联的薄栅氧存储器件m12。薄栅氧存储器件m12的个数可以根据需求设定为任意多个，不限于图4所示3个的方式。一个薄栅氧存储器件m12对应一个存储单元。

厚栅氧高压选择器件m11的源极与位线bl连接，其栅极130与薄栅氧存储器件m12的栅极120分别连接，且其栅极130与字线wl连接。字线wl输入可编程电压vpgm以及编程电流ipgm。可编程电压vpgm以及编程电流ipgm时序如图5所示，图5为本发明实施例提供的一种字线wl输入信号的时序图，通过控制编程时间tpgm控制输入信号的持续时间。厚栅氧高压选择器件m11的衬底以及薄栅氧存储器件m12的衬底均输入低电位vss，可以使得二者衬底均接地gnd，即低电位vss为零电位。薄栅氧存储器件m12的漏极均浮空，其源极均与厚栅氧高压选择器件m11的漏极连接。

图4所示方式中，编程之前，存储单元中栅氧反熔丝介质(薄栅氧化层120)均不导电，代表存储状态“0”。编程过程中字线wl加入图5所示信号，只有一个存储单元的栅氧反熔丝介质备击穿，变为导电，代表存储状态“1”。

栅氧反熔丝的编程击穿与编程电压vpgm、编程电流ipgm和编程时间tpgm有关。当编程时间tpgm一定时，只有当编程电压vpgm和编程电流ipgm同时满足一定条件时，薄栅氧化层才能被有效击穿，编程成功，存储单元状态被改写。例如，对于标准0.13um工艺，逻辑器件(薄栅氧存储器件)的薄栅氧化层厚度为2nm左右，当tpgm＝100us时，只有vpgm>5v且ipgm>10ua时，薄栅氧化层才能有效击穿。但是，图4所示电路结构，同一时刻只能使得一个薄栅氧存储器件的薄栅氧化层击穿。

基于此，本发明实施例提供了一种多阈值otp存储器单元以及控制方法，所述包括：多个与所述厚栅氧高压选择器件互联的薄栅氧低压存储器件；所述厚栅氧高压选择器件基于控制编程电流的大小来控制所述薄栅氧低压存储器件的击穿个数，从而使得otp存储器单元实现多阈值存储。

参考图6，图6为本发明实施例提供的一种多阈值otp存储器单元的等效电路图，该多阈值otp存储器单元包括：厚栅氧高压选择器件m21；多个与所述厚栅氧高压选择器件m21互联的薄栅氧低压存储器件m22；其中，所述厚栅氧高压选择器件m21基于控制编程电流ipgm的大小来控制所述薄栅氧低压存储器件m22的击穿个数，从而使得otp存储器单元实现多阈值存储。

如图6所示，所述薄栅氧低压存储器件m22的源极均与所述厚栅氧高压选择器件m21的漏极电连接；所述薄栅氧低压存储器件m22的衬底与所述厚栅氧高压选择器件m21的衬底均接地gnd；所述薄栅氧低压存储器件m22的漏极均浮空。

在图6所示方式中，所述厚栅氧高压选择器件m21的栅极连接字线wl，所述字线用于输入第一电压vwl；所述薄栅氧低压存储器件m22的栅极用于输入可编程电压vpgm以及所述编程电流ipgm，具体的，其栅极可以与一信号线pl连接，通过该信号线pl传输可编程电压vpgm以及所述编程电流ipgm；所述厚栅氧高压选择器件m21的源极连接位线bl，所述位线bl用于输出所述编程电流ipgm。所有薄栅氧低压存储器件m22的源极等电位，均连接厚栅氧高压选择器件m21的漏记，所有薄栅氧低压存储器件m22的漏极均浮空，所有薄栅氧低压存储器件m22的栅极等电位，均连接信号线pl，相当于所有薄栅氧低压存储器件m22并联。并联的所述薄栅氧低压存储器件为叉指型结构，叉指个数大于等于2个。

可选的，所述厚栅氧高压选择器件21可以为nmos或pmos；所述薄栅氧低压存储器件22可以为nmos或pmos。

在图6所示方式中，设计合理的厚栅氧高压选择器件m21尺寸，使其在编程过程中工作在饱和区，可以等效为一电流源，流过其编程电流ipgm可以表示为：

ipgm＝kn(vwl-vt)²(1)

其中，vt表示厚栅氧高压选择器件m21的阈值电压。设定所述薄栅氧低压存储器件22击穿后的等效电阻为ron，如果满足下述条件时：

ipgm≥(vpgm/ron)*n(2)

通过调节所述厚栅氧高压选择器件21的栅极电压的大小控制所述编程电流ipgm。所述击穿个数为n，n为正整数，刻通过调节第一电压vwl的大小，控制编程电流ipgm，进而控制所述击穿个数为n。图6所示方式中，一个厚栅氧高压选择器件m21与3个薄栅氧低压存储器件m22互联，本发明实施例中，同一厚栅氧高压选择器件m21互联的薄栅氧低压存储器件m22个数可以根据需求设定，不局限于图6所示的3个。图6所示方式中，可以实现4种不存储单元击穿导致后电阻。每个存储单元可以存储2bits数据。

参考图7，图7为本发明实施例提供的一种对应图6所示方式的多阈值otp存储器单元的俯视图，该方式所示多阈值otp存储器单元中，所述薄栅氧低压存储器件与所述厚栅氧高压选择器件位于同一半导体衬底200；也就是说，所述薄栅氧低压存储器件与其互联的所有所述厚栅氧高压选择器件基于同一半导体衬底200制备。多个所述薄栅氧低压存储器件包括：形成在所述衬底200之中的插指型有源区210，覆盖在所述插指型有源区210之上的薄栅氧化层(图7中未示出)以及栅极220，其插指型有源区210具有多块间隔排布的长条区域，其栅极220横跨所有长条区域；所述厚栅氧高压选择器件的栅极230与所述薄栅氧低压存储器件的栅极220同层，且二者分离。

可选的，在图7所示方式中，所述薄栅氧低压存储器件与所述厚栅氧高压选择器件的有源区为一体结构。

本发明实施例中，所述厚栅氧高压选择器件21的栅极以及所述薄栅氧低压存储器件22的栅极均与一字线连接，所述字线输入所述编程电流以及可编程电压；通过限制所述字线内的所述编程电流以控制所述薄栅氧低压存储器件的击穿个数。具体实现方式可以如图8所示。

参考图8，图8为本发明实施例提供的另一种多阈值otp存储器单元的等效电路图，该多阈值otp存储器单元包括：厚栅氧高压选择器件m21；多个与所述厚栅氧高压选择器件m21互联的薄栅氧低压存储器件m22；其中，所述厚栅氧高压选择器件m21基于控制编程电流ipgm的大小来控制所述薄栅氧低压存储器件m22的击穿个数。同样，所述薄栅氧低压存储器件m22的源极均与所述厚栅氧高压选择器件m21的漏极电连接；所述薄栅氧低压存储器件的衬底m22与所述厚栅氧高压选择器件m21的衬底均接地gnd；所述薄栅氧低压存储器件m22的漏极均浮空。

图8所示方式中，所述厚栅氧高压选择器件m21的栅极以及所述薄栅氧低压存储器件22的栅极均通过调节电路31与字线wl连接，所述字线wl用于输入可编程电压vwl；所述薄栅氧低压存储器件m22的栅极与所述厚栅氧高压选择器件m21的栅极连接；所述厚栅氧高压选择器件m21的源极连接位线bl；其中，所述调节电路31至少用于调节输入所述薄栅氧低压存储器件m22的栅极的电流，以为所述薄栅氧存储器件m22提供设定的所述编程电流ipgm，进而使得设定个数的薄栅氧存储器件m22击穿。

如图8所示，所述调节电路31包括多个并联支路，通过控制所述并联支路的导通个数控制所述击穿个数。可以所述并联支路的个数与所述薄栅氧低压存储器件m22的个数相同或不同，通过设置简单控制并联支路的导通个数，使得对应个数的薄栅氧低压存储器件m22击穿，当m个并联支路导通时，使得m个薄栅氧低压存储器件m22击穿，m为正整数，不大于薄栅氧低压存储器件m22的个数。可选的，所述并联支路包括串联的开关元件s和电阻元件r。

在图8所示方式中，同样可以根据需求设置厚栅氧高压选择器件m21互联的薄栅氧低压存储器件m22的个数，不局限于图8所示的3个薄栅氧低压存储器件m22。设置厚栅氧高压选择器件m21互联的薄栅氧低压存储器件m22的个数为3时，可以设置3个并联支路，3个并联支路中开关元件依次为s1/s2/s3。通过s1/s2/s3开关调整编程时第一电压vwl串联电阻的大小，进而控制插指反熔丝存储器件的击穿个数，使编程后反熔丝单元呈现3种不同阻值。同样可以实现单个存储单元存储2bits数据。本发明实施例中，实现0个反熔丝击穿也是1种状态。

假设tpgm一定时，栅氧反熔丝击穿所需电压和电流分别vpgm和ipgm，器件工作在线性区，假设其压降和可以忽略，当1个反熔丝单元击穿时，字线wl串联电阻可以表示为：

r＝rp＝(vwl-vpgm)/ipgm

当2个反熔丝单元击穿时，字线wl串联电阻可以表示为：

r＝(vwl-vpgm)/(2*ipgm)＝rp/2

当3个反熔丝单元击穿时，字线wl串联电阻可以表示为：

r＝(vwl-vpgm)/(3*ipgm)＝rp/3

其中，rp表示为表示单个并联支路的电阻。

参考图9，图9为本发明实施例提供的一种对应图8所示方式的多阈值otp存储器单元的俯视图，该方式所示多阈值otp存储器单元中，所述薄栅氧低压存储器件与所述厚栅氧高压选择器件位于同一半导体衬底200；所述薄栅氧低压存储器件包括：形成在所述衬底之中的插指型有源区210，覆盖在所述插指型有源区210之上的薄栅氧化层(图7中未示出)以及栅极220，其插指型有源区210具有多块间隔排布的长条区域，其栅极220横跨所有长条区域；所述厚栅氧高压选择器件的栅极230与所述薄栅氧低压存储器件的栅极220同层，且二者为一体结构。可选的，在图9所示方式中，所述薄栅氧低压存储器件与所述厚栅氧高压选择器件的有源区为一体结构。

通过上述描述可知，所述厚栅氧高压选择器件至少基于编程电流控制所述薄栅氧低压存储器件的击穿个数，从而使得otp存储器单元实现多阈值存储。本发明实施例所述技术方案，可以在同一otp存储器单元中集成厚栅氧高压选择器件及其互联的多个薄栅氧低压存储器件，是缩小单位bitotp存储单元面积的最有效方案之一。

基于上述实施例，本发明另一实施例还提供了一种控制方法，用于上述实施例所述的多阈值otp存储器单元，所述控制方法包括：所述厚栅氧高压选择器件基于控制编程电流的大小来控制所述薄栅氧低压存储器件的击穿个数。

本发明实施例所述控制方法通过上述实施例所述多阈值otp存储器单元，可以实现otp存储器实现多阈值存储，控制原理可以参考上述实施例所述，在此不再赘述，控制方法简单，成本低。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的控制方法而言，由于其与实施例公开的多阈值otp存储器单元相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见多阈值otp存储器单元对应部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。