專利名稱：一種體硅浮體晶體管存儲器的刷新操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于動態(tài)隨機存儲器(DRAM)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及體硅浮體晶體管 (BulkFloating body transistor cell, Bulk FBC)存儲器的刷新操作方法。
背景技術(shù)：
目前，作為嵌入式存儲器時代的ITlC結(jié)構(gòu)的DRAM(動態(tài)隨機存儲器)的替代者， 一種新型無電容單管存儲器正被廣泛研究。這種新型存儲器基于浮體效應(yīng)原理(Floating Body Effect)，所以被命名為浮體晶體管器件(Floating body transistorcell，F(xiàn)BC)。這種FBC存儲器只需要用單個浮體晶體管即可完成存儲功能，省去了電容C，所以面積更小。 而且與已有邏輯器件相比不需要采用任何新材料，器件結(jié)構(gòu)也幾乎相同，只需在常規(guī)工藝中加入兩步簡單易行的工藝即可。所以它比起ITlC管來說，更易于制造，而且在等比例縮小(Scaling down)方面的能力上也更強。實現(xiàn)FBC存儲器目前看來有兩種不同的技術(shù)，一種是基于絕緣體上硅(SiliconOn hsulator，簡稱S0I)的技術(shù)，另一種則是基于傳統(tǒng)的體硅(Bulk)技術(shù)。兩種技術(shù)雖然所用材料有所區(qū)別，但目的都是在晶體管中形成一個與周圍絕緣或隔離的浮空體區(qū)，所以被稱為浮體區(qū)。在對該浮體晶體管操作的過程中，將會有不同數(shù)目的多數(shù)載流子(對于NMOS 管來說是空穴)存儲在該浮體區(qū)中，根據(jù)浮體區(qū)中所存多子的不同，由于體效應(yīng)從而會影響到晶體管的漏電流，所以可以根據(jù)該漏電流的不同來區(qū)別存儲的狀態(tài)。以下介紹幾種存儲器的原理及其刷新操作方法。( 一 ) ITlC DRAM傳統(tǒng)的動態(tài)隨機存儲器的存儲單元典型地包括兩個元件，也就是存儲電容器和存取晶體管，構(gòu)成ITic的結(jié)構(gòu)。圖1所示為傳統(tǒng)的動態(tài)隨機存儲器陣列結(jié)構(gòu)，其中100至108 是存取晶體管，109至111是位線，112至114是字線，115至117是位線上的寄生電容，118 至126是存儲電容器。下面以操作存取晶體管100和存儲電容器118構(gòu)成的存儲單元為例說明傳統(tǒng)的動態(tài)隨機存儲器的工作過程。在寫操作階段，數(shù)據(jù)值被放在位線109上，字線112則被提升，根據(jù)數(shù)據(jù)值的不同，存儲電容器118或者充電，或者放電，具體地，寫入數(shù)據(jù)為1時，存儲電容器118充電，寫入數(shù)據(jù)為0時，存儲電容器118放電。在讀操作階段， 位線109首先被預(yù)充電，當(dāng)使字線112有效時，在位線電容115和存儲電容器118之間放生了電荷的重新分配，這時位線上的電壓發(fā)生變化，這一變化的方向決定了被存放數(shù)據(jù)的值。 ITlC結(jié)構(gòu)動態(tài)隨機存儲器是破壞性的，這就是說存放在單元中的電荷數(shù)量在讀操作期間被修改，因此完成一次讀操作之后必須再恢復(fù)到它原來的值。于是，完成讀操作之后一般緊接著就是刷新操作。進行刷新操作之后才能進行下一步的讀寫操作。這種ITlC結(jié)構(gòu)動態(tài)隨機存儲器依靠存儲電容器存儲數(shù)據(jù)，存儲電容必須足夠大以保證存儲的可靠性，但是大電容的存在不僅占用面積，而且在半導(dǎo)體工藝中特征尺寸越來越小的發(fā)展趨勢下，制造大電容是非常困難的，這帶來了物理或工藝實現(xiàn)上的障礙。(二)FBC 存儲器
圖2所示為現(xiàn)有技術(shù)的體硅FBC (Bulk FBC)存儲器單元的剖面結(jié)構(gòu)圖。體硅FBC 存儲器單元200包括P-型硅襯底201，N-型隱埋層202，耗盡區(qū)203-204，淺槽隔離(STI) 區(qū)205，重摻雜N++型源區(qū)206和漏區(qū)207，輕摻雜N+型源區(qū)208和漏區(qū)209，ρ型浮體區(qū) 210，柵氧化層211，柵電極215，側(cè)壁區(qū)221-222。N++型源區(qū)和N+型源區(qū)一同形成N型源區(qū)211，同樣N++型漏區(qū)和N+型漏區(qū)一同形成N型漏區(qū)212。N-型隱埋區(qū)202形成于晶體管下作為后柵極。在適當(dāng)?shù)钠孟?，耗盡區(qū)204完全將FBC存儲單元的浮體區(qū)210與襯底以及其他η型注入?yún)^(qū)域隔離開。源區(qū)211—般接地。在該具體實施例中，四周的STI區(qū)205 以及底部的N注入隱埋層(N-buried implant layer) 202使體區(qū)與周圍電隔離，形成一個 P型的浮體區(qū)作為存儲電荷的區(qū)域。N注入隱埋層202通常偏置正電壓，以使得其與P浮體區(qū)之間的PN結(jié)反偏從而達到電隔離的效果。根據(jù)浮體區(qū)210中是否存有多子(對于NMOS 來說是空穴)來存儲數(shù)據(jù)。通過離子碰撞產(chǎn)生空穴存于浮體區(qū)210來完成寫“1”操作，通過將體-源/漏之間的PN結(jié)正偏“抽走”空穴來完成擦除操作。存于浮體區(qū)210的空穴作用于耗盡區(qū)204從而改變晶體管的閾值電壓，該閾值電壓的區(qū)別通過讀操作時的漏電流大小以區(qū)分從而區(qū)別“ 1 ”或“0”狀態(tài)。圖3所示為圖2所示的體硅FBC存儲器的操作原理示意圖，其中圖3(a)為寫 (Write)入數(shù)據(jù)“1”的示意圖，圖3(b)為寫數(shù)據(jù)“0”(Erase)的示意圖。如圖3(a)所示， 當(dāng)需要向FBC存儲單元200寫入數(shù)據(jù)1時，在漏區(qū)212 (VD)施加高電壓，柵極215 (VG)接中等幅度電壓，這樣使得漏區(qū)212中存在較高的電場，溝道電子在漏端高場區(qū)獲得足夠能量， 通過碰撞電離產(chǎn)生電子-空穴對，空穴向較低電勢的浮體區(qū)210移動，由于源-體結(jié)存在一勢壘，空穴就會堆積在浮體區(qū)210，從而抬高了浮體210的電勢，以至可以產(chǎn)生襯偏效應(yīng)。當(dāng)襯底電壓升高(對于P型襯底)時會使得該晶體管閾值電壓降低，這樣就相當(dāng)于完成了寫 “1”的操作。如圖3(b)所示，當(dāng)需要向FBC存儲單元200寫入數(shù)據(jù)“0”時，在漏區(qū)212施加負電壓，柵極215接中等幅度電壓，由于浮體210存有空穴，使得襯底電勢為正，這樣就造成了襯底-漏區(qū)PN結(jié)的正偏，在正偏電壓的作用下，存于浮體區(qū)210中的空穴會脫離其中而注入到漏區(qū)212，使得襯底電壓恢復(fù)之前的水平，從而又提高了閾值電壓，這樣就相當(dāng)于寫入了“0”。讀操作時為漏區(qū)212和柵極215都施加中等幅度電壓，源區(qū)211接地。此時根據(jù)浮體區(qū)中所存空穴數(shù)量的不同，會導(dǎo)致漏端讀出電流的差異，當(dāng)FBC存儲單元存儲的數(shù)據(jù)為“1”時，源漏區(qū)會流過相對大的電流，當(dāng)FBC存儲單元存儲的數(shù)據(jù)為“0”時，源漏區(qū)會流過相對小的電流。這個差異能夠被讀出然后放大并與參考電流比較從而區(qū)分出“0”和“1” 的不同數(shù)據(jù)狀態(tài)。保持操作時柵極接負電壓以降低讀寫時的漏電流和誤操作，即通過電容耦合使浮體區(qū)的電勢強至拉到負，這樣更便于空穴的保存?；诮^緣體上硅的FBC存儲器的存儲操作原理與以上體硅FBC存儲器的存儲操作原理基本類似。體硅FBC(Bulk FBC)存儲器相對基于絕緣體上硅的FBC(SOI FBC)存儲器的制作工藝更為簡單，只需將標(biāo)準(zhǔn)工藝稍加改造即可立即應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)，關(guān)鍵是技術(shù)要求較低，造價低，這些是體硅FBC存儲器的優(yōu)勢。但是，由于其底部隔離措施為N型隱埋層電隔離，必然不如基于絕緣體上硅的FBC存儲器的SOI隔離效果好，所以存于浮體區(qū)中的空穴在體硅FBC中泄漏得更快，其數(shù)據(jù)保持時間弱于SOI FBC，故BulkFBC需要比SOI FBC更頻繁的刷新操作，因此改進刷新操作方法在Bulk FBC中更顯迫切。
以下將介紹現(xiàn)有技術(shù)中的刷新操作方法。對于傳統(tǒng)的ITlC DRAM來說，由于每位的數(shù)據(jù)狀態(tài)未知，刷新操作一般分解為兩步先讀取之前存儲的數(shù)據(jù)，再按照所讀出的數(shù)據(jù)寫回。由于逐行刷新，無論是集總式還是異步式，一個刷新周期內(nèi)刷新操作的總時間都占掉了很大一部分，這樣留給外界讀寫操作的時間則大大減少。對于FBC存儲器來說，采用先讀后寫的方法必然也會占用大量的刷新時間。為減少刷新操作的時間，東芝(Toshiba)公司之前介紹了一種不用讀取數(shù)據(jù)而直接刷新的方法 (美國專利申請?zhí)枮閁S7, 170，807B2)。圖4所示為FBC存儲器的現(xiàn)有刷新操作方法的所加操作電壓時序示意圖。圖5所示為FBC存儲器的現(xiàn)有刷新操作方法中電荷量隨時間的變化趨勢示意圖。如圖4和圖5所示，以體硅FBC存儲器為例作說明，其中UL和UC分別為刷新操作時對FBC存儲器件的柵極和漏端(或者源端)施加的脈沖信號。兩條曲線中的水平電荷線Cn代表了若不執(zhí)行保持數(shù)據(jù)操作時兩種數(shù)據(jù)狀態(tài)的最終趨近狀態(tài)，所以為了區(qū)分開兩種數(shù)據(jù)狀態(tài)的邏輯值，兩條電荷狀態(tài)線1和0都應(yīng)盡量遠離Cn線。在tl到t2時間內(nèi)，源端接地，漏端接高壓，向柵上施加一中等電壓的脈沖，該中等電壓應(yīng)滿足以下關(guān)系VTHL < Vmid < VTHH,即Vmid是介于高閾值壓VTHH和低閾值電壓 VTHL之間的一電平。這樣，對于“1”狀態(tài)的FBC存儲單元來說，晶體管變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，也就是形成了溝道，電流從溝道中流過并在漏端由碰撞電離作用產(chǎn)生電子空穴對，從而有空穴注入浮體區(qū)中。這樣，“1”狀態(tài)的FBC浮體區(qū)中電荷量將有一個Δ1的增加。由于在“0”狀態(tài)中沒有溝道形成，所以在“0”狀態(tài)FBC的浮體區(qū)中電荷量幾乎不變或只有一個很少量的 Δ 2的增加。Δ1通常比Δ2大2到3個數(shù)量級。由于Charge Pumping (電荷泵)效應(yīng)，大量電子被束縛在表面態(tài)中，從t3時刻開始，一個負脈沖被施加到柵極上，負電壓通過耦合作用將浮體區(qū)中的空穴吸引到表面，使得空穴與表面態(tài)電子發(fā)生復(fù)合，浮體區(qū)中空穴的凈值有所減少。對于“1”狀態(tài)來說，空穴量有一個Δ4的減少，使得空穴量恢復(fù)為初始的“強1”狀態(tài)；對于“0”狀態(tài)來說，空穴量有一個 Δ3的減少，使得空穴量恢復(fù)為初始的“強0”狀態(tài)。通常，Δ3和Δ4量基本相等(一般在一個數(shù)量級范圍內(nèi))。這樣，t4時刻恢復(fù)到“強1”狀態(tài)或者“強0”狀態(tài)，從而就完成了不用讀取而直接刷新的操作。由于刷新操作過程中不用讀取數(shù)據(jù)，所以該操作脈沖可以同時加到所有的FBC 存儲器單元上，而不是一行一行的刷新，極大地提高了刷新速度。需要說明的是，Charge Pumping的主要機理是這樣的當(dāng)進行數(shù)據(jù)讀或?qū)憰r，柵極的WL (字線)上施加的是正電壓，這個正電壓使得硅表面形成了溝道，所以有大量的電子存在于柵氧與硅表面之間。在這個反型的狀態(tài)下，一些電子會被硅表面態(tài)束縛住，當(dāng)完成讀寫操作，柵極電壓變?yōu)樨撾妷?保持狀態(tài))以至于溝道已經(jīng)消失后，這些被束縛住的電子仍停留在硅表面，而Toshiba公司利用的正是這些束縛住的表面態(tài)電子來和體內(nèi)空穴復(fù)合以達到“弱0”變“強0”的過程以實現(xiàn)刷新操作，但這里的問題是Charge Pumping產(chǎn)生的表面態(tài)電子受到柵極電壓正負脈沖變化次數(shù)的約束，也就是說讀寫次數(shù)越多的行列累積產(chǎn)生的表面態(tài)電子越多，而讀寫次數(shù)越少的行列累積產(chǎn)生的表面態(tài)電子越少。因此，這就造成了復(fù)合時的情況會有所差別，有的行由于刷新周期內(nèi)沒有讀寫，在表面幾乎沒有束縛的電子，因而這些行的單元根本無法達到復(fù)合的效果，即無法實現(xiàn)“弱0”變“強0” ；而有的行由于刷新周期內(nèi)讀寫次數(shù)頻繁，在表面積累了過多的束縛電子，有可能使得刷新時對存儲值為“1” 的單元造成的負面影響加重，反而有可能把“強1”拉回“弱1”。因此，圖4和圖5所示的FBC存儲器的操作方法可能存在刷新誤操作和無效刷新操作的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，減少由先讀取后寫回的傳統(tǒng)刷新方式造成的耗費大量時間、功耗以及系統(tǒng)等待的問題；并同時能避免各行由于Charge Pumping現(xiàn)象產(chǎn)生的表面束縛電子數(shù)量不確定而引起的刷新誤操作和無效刷新操作的問題。為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種體硅浮體晶體管存儲器單元的刷新操作方法，其包括以下步驟(1)在浮體晶體管的柵極上偏置電壓脈沖，以使存儲第一數(shù)據(jù)狀態(tài)的浮體晶體管導(dǎo)通，或者以使存儲第二數(shù)據(jù)狀態(tài)的浮體晶體管截止；在浮體晶體管的漏端/源端偏置高電平脈沖，以使所述導(dǎo)通的浮體晶體管的浮體區(qū)的存儲電荷實現(xiàn)第一增量，或者以使所述截止的浮體晶體管的浮體區(qū)的存儲電荷實現(xiàn)第二增量，所述第一增量遠大于第二增量；在浮體晶體管的隱埋層上偏置電壓脈沖以使隱埋層與浮體區(qū)之間的PN結(jié)反向截止；(2)在浮體晶體管的隱埋層上偏置電壓脈沖，以使隱埋層與浮體區(qū)之間的PN結(jié)弱導(dǎo)通；以及(3)重復(fù)所述第(1)步驟。作為一個實施例，所述第(1)步驟中，在浮體晶體管的柵極上偏置電壓脈沖以使存儲第一數(shù)據(jù)狀態(tài)的浮體晶體管導(dǎo)通，或者以使存儲第二數(shù)據(jù)狀態(tài)的浮體晶體管截止。所述第( 步驟中，浮體晶體管的漏端/源端同時偏置0電平。所述第(1)步驟和所述第( 步驟可以連續(xù)進行。根據(jù)本發(fā)明所提供的刷新操作方法，其中，所述浮體晶體管存儲器單元為NMOS型體硅浮體晶體管存儲器單元；所述第一數(shù)據(jù)狀態(tài)為“ 1”，所述第二數(shù)據(jù)狀態(tài)為“0”，所述高電平為0. 5 0. 8伏，典型的為0. 6伏。所述刷新操作在體硅浮體晶體管存儲單元的數(shù)據(jù)保持過程中進行。本發(fā)明同時提供一種體硅浮體晶體管存儲器的刷新操作方法，所述存儲器包括存儲陣列，其包括以下步驟(1)存儲陣列中浮體晶體管的柵極上同時偏置電壓脈沖，以使存儲第一數(shù)據(jù)狀態(tài)的浮體晶體管導(dǎo)通、存儲數(shù)據(jù)第二數(shù)據(jù)狀態(tài)的浮體晶體管截止；在存儲陣列中浮體晶體管的漏端/源端同時偏置高電平脈沖，以使所述導(dǎo)通的浮體晶體管的浮體區(qū)的存儲電荷實現(xiàn)第一增量、使所述截止的浮體晶體管的浮體區(qū)的存儲電荷實現(xiàn)第二增量，所述第一增量遠大于第二增量；在存儲陣列中浮體晶體管的隱埋層的共同引出端上偏置電壓脈沖以使隱埋層與浮體區(qū)之間的PN結(jié)反向截止；(2)存儲陣列中浮體晶體管的隱埋層的共同引出端上偏置電壓脈沖，以使隱埋層與浮體區(qū)之間的PN結(jié)弱導(dǎo)通；以及(3)重復(fù)所述第(1)步驟。
作為一個實施例，所述第(1)步驟中，存儲陣列中浮體晶體管的柵極上同時偏置電壓脈沖以使存儲第一數(shù)據(jù)狀態(tài)的浮體晶體管導(dǎo)通、存儲數(shù)據(jù)第二數(shù)據(jù)狀態(tài)的浮體晶體管截止。所述第( 步驟中，在存儲陣列中浮體晶體管的漏端/源端同時偏置0電平。根據(jù)本發(fā)明所提供的體硅浮體晶體管存儲器的刷新操作方法，其中，所述第(1) 步驟和所述第( 步驟可以連續(xù)進行。具體地，所述浮體晶體管存儲器可以為NMOS型體硅浮體晶體管存儲器；所述第一數(shù)據(jù)狀態(tài)為“ 1 ”，所述第二數(shù)據(jù)狀態(tài)為“0”，所述高電平可取0. 5 0. 8伏，典型的取0. 6伏。 所述刷新操作在浮體晶體管存儲器的數(shù)據(jù)保持過程中進行。本發(fā)明的技術(shù)效果是，該發(fā)明的刷新操作方法并不利用Charge Pumping效應(yīng)進行刷新操作，因此具有刷新操作的可靠性高的特點，同時，對于體硅FBC存儲器單元或存儲器，刷新操作過程中不存在讀取過程，進而可以對體硅FBC存儲器的存儲陣列進行整體刷新操作。


圖1是傳統(tǒng)的動態(tài)隨機存儲器陣列結(jié)構(gòu)。圖2是現(xiàn)有技術(shù)的體硅FBC存儲器單元的剖面結(jié)構(gòu)圖。圖3是圖2所示的體硅FBC存儲器的操作原理示意圖，其中圖3(a)為寫入數(shù)據(jù) “1”的示意圖，圖3(b)為寫數(shù)據(jù)“0”的示意圖。圖4是FBC存儲器的現(xiàn)有刷新操作方法的所加操作電壓時序示意圖。圖5是FBC存儲器的現(xiàn)有刷新操作方法中電荷量隨時間的變化趨勢示意圖。圖6是本發(fā)明提供的Bulk FBC存儲器的刷新操作方法的操作電壓時序示意圖。圖7是本發(fā)明提供的Bulk FBC存儲器的刷新操作方法中電荷量隨時間的變化趨勢示意圖。圖8是Bulk FBC存儲器采用本發(fā)明刷新操作方法的結(jié)構(gòu)示意圖。圖9是Bulk FBC存儲器的操作電壓列表示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述。本發(fā)明提供的刷新操作方法適用于FBC存儲器，一般情況下適用于Bulk FBC存儲器。Bulk FBC存儲器的刷新操作頻率相對更高，改進刷新操作方法的要求更為迫切，在以下實施例中，以NMOS類型的Bulk FBC存儲器為例對其刷新操作方法作詳細說明。在Bulk FBC存儲器中，浮體區(qū)中所存儲的數(shù)據(jù)狀態(tài)會隨時間而減弱，由于泄漏電流或輻射干擾等原因，存有大量空穴的“強1”狀態(tài)會由于所存空穴量的減少而逐漸變成 “弱1”的狀態(tài)，而浮體區(qū)中不存有空穴的“強0”狀態(tài)會由于所存空穴量的增加而逐漸變成 “弱0”的狀態(tài)。若不對此變化加以干涉，則存儲單元中所存數(shù)據(jù)的狀態(tài)會隨時間而變得不可區(qū)分。因此，刷新操作的目的即是要使這種隨時間而減弱的變化向反向變化。本發(fā)明中提到的“不讀取整體刷新”的含義是指當(dāng)浮體區(qū)中所存數(shù)據(jù)為弱“1”狀態(tài)時，我們通過某種操作方法在不讀取存儲值的情況下使其變?yōu)椤皬?”，而當(dāng)浮體區(qū)中所存數(shù)據(jù)為“弱0”狀態(tài)時，我們也可以通過同樣的操作方法直接恢復(fù)到“強0”狀態(tài)，即無論原本存儲單元的邏輯存儲值是“弱1”還是“弱0”，都可以無選擇的分別恢復(fù)到我們期望的“強1”或“強0”。需要說明的是，“強1”和“弱1”是以浮體區(qū)中存儲電荷的相對多少來判別的，同理，“強0”和 “弱0”也是以浮體區(qū)中存儲電荷的相對多少來判別的。用戶可以根據(jù)存儲電荷數(shù)量值來定義“強1”、“弱1”、“強0”和“弱0”。以NMOS類型為例，“強1”時浮體區(qū)中的空穴多于“弱 1，，中的空穴，“強0”時浮體區(qū)中的空穴少于“弱0”中的空穴?！叭?，，和“弱0”狀態(tài)下，浮體區(qū)中存儲電荷向圖7中的水平電荷線靠攏。圖6所示為本發(fā)明提供的Bulk FBC存儲器的刷新操作方法的操作電壓時序示意圖。圖7所示為本發(fā)明提供的Bulk FBC存儲器的刷新操作方法中電荷量隨時間的變化趨勢示意圖。如圖6和圖7所示，Vdrain代表NMOS Bulk FBC(如圖3所示)的漏端電壓，Vgate 代表NMOS Bulk FBC的柵極電壓，Vn-burried代表匪OS Bulk FBC的N注入隱埋層上施加的電壓；Cn代表水平電荷線，水平電荷線之上的實線代表“ 1，，狀態(tài)下隨著刷新操作的存儲電荷變化趨勢示意圖，水平電荷線之下的實線代表“0”狀態(tài)下隨著刷新操作的存儲電荷變化趨勢示意圖。以下結(jié)合圖6和圖7所示對該發(fā)明的刷新操作方法作詳細說明。步驟lGtepl) :FBC存儲單元的柵極電壓(電壓脈沖的高度)偏置于數(shù)據(jù)“1”狀態(tài)下的閾值電壓和數(shù)據(jù)“0”狀態(tài)下的閾值電壓之間，F(xiàn)BC存儲單元的漏端/源端電壓(電壓脈沖的高度)偏置于高電平，F(xiàn)BC存儲單元的隱埋層電壓偏置以使隱埋層與浮體區(qū)之間的PN結(jié)反向截止的電壓。在tl到t2時間內(nèi)，F(xiàn)BC存儲單元的源端(在其它實施例中，可以為漏端)接地， 向柵極上偏置一中等電壓VTHmid，即Vgate = VTHmid，該電壓滿足以下關(guān)系VTHl < VTHmid < VTHO,即VTHmid是介于高閾值壓VTHO和低閾值電壓VTHl之間的電平，作為典型值， VTHmid可取0.3V。同時，向漏端(在其它實施例中，可以為源端)施加稍高的電壓，即高電平，可取0. 5 0. 8伏，典型地，Vdrain可取0. 6V ；該高電平可以使數(shù)據(jù)“ 1，，的FBC存儲單元在漏端(在其它實施例中，可以為源端)附近形成高電場以產(chǎn)生空穴-電子對。同時，tl 到t2時間內(nèi)，向η-隱埋層的引出端Vn-buried置正向電壓脈沖，以使隱埋層與浮體區(qū)之間的PN結(jié)反向截止，阻止浮體區(qū)中存儲電荷(空穴)泄露，典型地Vn-buried = 0. 6V。其中， VTHl代表數(shù)據(jù)“ 1”狀態(tài)時的閾值電壓，其中，VTHO代表數(shù)據(jù)“0”狀態(tài)時的閾值電壓。這樣，在tl時刻，由于漏電流等原因，使存儲器處于“弱0”或者“弱1”狀態(tài)。對于存有“弱1”的存儲單元，由于其閾值電壓低于施加在柵極上的電平VTHmid而會導(dǎo)通，使得在柵氧化層下形成溝道并在漏端由碰撞電離作用產(chǎn)生電子空穴對，從而有空穴注入浮體區(qū)中形成溝道電流；而對于存有“弱0”的存儲單元，其閾值電壓高于施加浮體晶體管柵極上的電平VTHmid，其柵氧化層下不能形成溝道，從而不能形成溝道電流。施加在漏端的高電平在漏端附近形成一高電場，當(dāng)溝道電流流到漏區(qū)時會由于高電場作用碰撞電離，產(chǎn)生空穴-電子對，空穴向較低電勢的浮體區(qū)移動，而電子從漏區(qū)移除。所以，對于“弱1”狀態(tài)，由于有溝道電流形成，因此其浮體區(qū)中所存儲的空穴將有一 Δ 1量的增加；而對于“弱0”狀態(tài)，由于其沒有溝道電流形成，因此其浮體區(qū)中所存儲的空穴幾乎沒有或只有一很小量的 Δ 2的增加，通常，Δ1比Δ2大2到3個數(shù)量級。經(jīng)過這一步操作，“弱1”狀態(tài)的存儲單元(例如，浮體區(qū)內(nèi)約有3000個空穴)變?yōu)椤皬?”狀態(tài)的存儲單元(例如，浮體區(qū)內(nèi)約有4000個空穴)；而“弱0”狀態(tài)的存儲單元(例如，浮體區(qū)內(nèi)約有1000個空穴)幾乎不變，仍為“弱0”狀態(tài)的存儲單元(例如，浮體區(qū)內(nèi)仍約有1000個空穴)。步驟2( 印2)在隱埋層中偏置電壓以使隱埋層與浮體區(qū)之間的PN結(jié)弱導(dǎo)通。在t2時間點，F(xiàn)BC存儲單元的柵極電壓Vgate和FBC存儲單元的源端/漏端電壓歸為0，隨后的t3到t4時間內(nèi)向，所有浮體區(qū)共用的N型隱埋層引出端Vn-buried施加一約低于N型隱埋層與P型浮體區(qū)之間的PN結(jié)勢壘的反向低電平(非刷新操作情況下，該N型隱埋層引出端偏置在約+0. 6V以使得N型隱埋層與P型浮體區(qū)之間的PN結(jié)反偏，防止存儲電荷泄漏)，在該實施例中，N型隱埋層與P型浮體區(qū)之間的PN結(jié)勢壘約為0. 6V，Vn-buried =-0. 2V，這樣，若浮體區(qū)中有一定量的空穴，N型隱埋層與P型浮體區(qū)之間的PN結(jié)會處于弱導(dǎo)通狀態(tài)(隱埋層與浮體區(qū)之間的PN結(jié)正偏電壓小于PN結(jié)勢壘，所以是處于弱導(dǎo)通)， 浮體區(qū)中存儲電荷(空穴)通過弱導(dǎo)通狀態(tài)的PN結(jié)泄露電荷。在該實施例中，同時，在t3 到t4時間內(nèi)，柵極電壓Vgate偏置一中等電壓VTHmid的脈沖，即Vgate = VTHmid，該電壓滿足以下關(guān)系VTHl < VTHmid <VTH0，其中，VTHl代表數(shù)據(jù)“ 1 ”狀態(tài)時的閾值電壓，其中， VTHO代表數(shù)據(jù)“0”狀態(tài)時的閾值電壓。t3到t4時間內(nèi)的柵極電壓Vgate偏置可以使“1” 狀態(tài)下的存儲單元的導(dǎo)通。在柵端和漏端施加脈沖的同時，將N型隱埋層引出端的偏置適當(dāng)下調(diào)，有一小部分存儲在浮體區(qū)中的空穴會從N型隱埋層中流出，這對于存儲狀態(tài)為“弱1”和“弱0”的存儲單元都一樣，原存儲狀態(tài)為“弱1”的存儲單元中所存空穴會有一 Δ3的量的降低，原存儲狀態(tài)為“弱0”的存儲單元中所存空穴也會有一 Δ 4的量的降低，通常Δ 3比Δ 4的量略大， 這是由于存1單元和存0單元的浮體區(qū)存儲的空穴數(shù)量不一致，導(dǎo)致以上所說弱導(dǎo)通的程度不一致，其中存1單元比存0單元體內(nèi)空穴多。因此，PN結(jié)導(dǎo)通的程度更強，存0單元達到了期望的效果，即減少空穴變成強0狀態(tài)，存1單元反而受到不期望的負面效果減少了過多的空穴。通過這一操作過程，可以使“弱0”存儲單元所存儲的電荷量回到最初的“強0” 狀態(tài)。當(dāng)然“弱1”也會受到一定程度的影響。t4時間點，柵極上電壓Vgate恢復(fù)到0電平， 漏端/源端電壓也恢復(fù)到0電平，而N型隱埋層上的偏置電壓也恢復(fù)到通常情況下的0. 6V。經(jīng)過這一步操作，“弱0”狀態(tài)(例如，浮體區(qū)內(nèi)約有1000個空穴)變?yōu)椤皬?”狀態(tài)(例如，浮體區(qū)內(nèi)約有0個空穴)；而“強1”狀態(tài)(例如，浮體區(qū)內(nèi)約有4000個空穴)則由于受到Vn-buried影響，重新削弱為“弱1”狀態(tài)(例如，浮體區(qū)內(nèi)約有3000個空穴)。步驟3( ) 重復(fù)步驟1過程，即，F(xiàn)BC存儲單元的柵極電壓(電壓脈沖的高度) 偏置于數(shù)據(jù)“1”狀態(tài)下的閾值電壓和數(shù)據(jù)“0”狀態(tài)下的閾值電壓之間，F(xiàn)BC存儲單元的漏端/源端電壓(電壓脈沖的高度)偏置于高電平，F(xiàn)BC存儲單元的隱埋層電壓偏置以使隱埋層與浮體區(qū)之間的PN結(jié)反向截止的電壓。在t5到t6時間內(nèi)，執(zhí)行與步驟1同樣的操作，以克服以上步驟2中的存1單元減少空穴過多的影響。FBC存儲單元的源端(在其它實施例中，可以為漏端)接地，向柵極上偏置一中等電壓VTHmid，即Vgate = VTHmid,該電壓滿足以下關(guān)系VTHl < VTHmid < VTHO， 即VTHmid是介于高閾值壓VTHO和低閾值電壓VTHl之間的電平，作為典型值，VTHmid可取 0.3V。同時，向漏端(在其它實施例中，可以為源端)施加稍高的電壓，即高電平，典型地， Vdrain可取0. 6V ；該高電平可以使數(shù)據(jù)“ 1 ”的FBC存儲單元在漏端(在其它實施例中，可以為源端)附近形成高電場以產(chǎn)生空穴-電子對。同時，tl到t2時間內(nèi)，向η-隱埋層的引出端Vn-buri ed置正向電壓脈沖，以使隱埋層與浮體區(qū)之間的PN結(jié)反向截止，阻止浮體區(qū)中存儲電荷(空穴)泄露，典型地Vn-buried = 0.6V。其中，VTHl代表數(shù)據(jù)“ 1 ”狀態(tài)時的閾值電壓，其中，VTHO代表數(shù)據(jù)“0”狀態(tài)時的閾值電壓。這樣，對于之前為“弱1”的存儲單元，在柵氧化層下形成溝道并在漏端由碰撞電離作用產(chǎn)生電子空穴對，其中空穴注入到浮體區(qū)內(nèi)使浮體區(qū)中所存儲的空穴將有一 Δ5量的增加而變?yōu)椤皬?”。而對于之前“強0”的存儲單元，其柵氧化層下不能形成溝道，也沒有溝道電流。因此其浮體區(qū)中所存儲的空穴幾乎沒有或只有一很小量的Δ6的增加而繼續(xù)維持 “強0”，通常，Δ 5比Δ6大2到3個數(shù)量級。經(jīng)過這一步操作，“弱1”狀態(tài)的存儲單元(例如，浮體區(qū)內(nèi)約有3000個空穴)重新變?yōu)椤皬?”狀態(tài)的存儲單元(例如，浮體區(qū)內(nèi)約有4000個空穴)；而“強0”狀態(tài)的存儲單元(例如，浮體區(qū)內(nèi)約有0個空穴)幾乎不變，仍為“強0”狀態(tài)的存儲單元(例如，浮體區(qū)內(nèi)仍約有0個空穴)。這樣，在t6時亥lj，不管是“弱1 ”狀態(tài)還是“弱0”狀態(tài)的存儲單元，都可以恢復(fù)至 “強1，，狀態(tài)或者“強0 ”狀態(tài)，從而完成了整個從“弱1，，到“強1 ”、“弱0，，到“強0，，的刷新操作。整個三個階段的刷新操作過程，不包括讀取過程，因此對存儲單元是一種不讀取而刷新操作的過程。這里要提起注意的是，步驟1和步驟3看起來操作相同，但并不代表可以省略其一，原因主要在于步驟2過程對于存儲“1”的單元的體內(nèi)空穴有削弱的負面效果。因此，如果沒有步驟1的話，初始為“弱1”的存儲單元有可能直接經(jīng)過步驟2而變?yōu)椤?”的存儲單元，進而有可能引起步驟3的誤操作；而如果沒有步驟3的話，則該刷新操作只對“弱0”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皬?”，而“弱1，，并沒有恢復(fù)至“強0”，不符合刷新操作的要求。需要進一步說明的是，步驟1、步驟2和步驟3分布所使用的時間，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)FBC存儲器單元的具體條件而設(shè)定，其一般在納秒(ns)數(shù)量級。步驟1和步驟 2之間的時間間隔(t2至t3)、步驟2和步驟3之間的時間間隔(t4至t5)也同為納秒數(shù)量級，其具體長短不受本發(fā)明實施例限制。在又一實施例中，步驟1和步驟2之間的時間間隔甚至可以為0，也即步驟1和步驟2連續(xù)進行。在N型掩埋層偏置-0. 2V時，柵極和漏端繼續(xù)保持步驟1的電壓偏置狀態(tài)，即漏端0.6V，源端0V，柵極0.3V。這樣對于存儲數(shù)據(jù)為“1” 的存儲單元一方面碰撞電離從漏端注入空穴，另一方面同時從N型掩埋層PN結(jié)弱正偏抽走空穴，一定程度上抵消，仍然在步驟2中由“強1”狀態(tài)變?yōu)椤叭?”狀態(tài)；而對于存儲數(shù)據(jù)為 “0”的單元僅是從N型掩埋層PN結(jié)弱正偏抽走空穴，變?yōu)椤皬?”。而對于包括存儲單元陣列的FBC存儲器，由于對每個FBC存儲單元的刷新操作不需要讀取過程，以上刷新操作過程中，分別偏置于柵極、漏端(或者源端)或者隱埋層引出端的信號，可以同時偏置于所有FBC存儲單元上，從而可以實現(xiàn)對所有存儲陣列進行刷新操作，極大地提高了刷新操作的速度。這種刷新操作過程為不讀取而整體刷新的過程。圖8所示為Bulk FBC存儲器采用本發(fā)明刷新操作方法的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖8所示，Bulk FBC存儲器的刷新操作過程中，是對整個存儲陣列進行整體刷新操作的，其中的黑色方塊表示正在刷新操作的存儲單元。圖9所示為Bulk FBC存儲器的操作電壓列表示意圖。該操作電壓列表是針對 NMOSBulk FBC存儲器實例的。
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需要說明的是，作為本發(fā)明提供的又一實施例，以上刷新操作過程可以在FBC存儲器原本的數(shù)據(jù)保持狀態(tài)過程中執(zhí)行刷新操作，即在無外界操作(讀、寫等操作)時，時刻做“弱1”變“強1”、“弱0”變“強0”的刷新操作。在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下還可以構(gòu)成許多有很大差別的實施例。應(yīng)當(dāng)理解，除了如所附的權(quán)利要求所限定的，本發(fā)明不限于在說明書中所述的具體實施例。
權(quán)利要求
1.一種體硅浮體晶體管存儲器單元的刷新操作方法，其特征在于，包括以下步驟(1)在浮體晶體管的柵極上偏置電壓脈沖，以使存儲第一數(shù)據(jù)狀態(tài)的浮體晶體管導(dǎo)通， 或者以使存儲第二數(shù)據(jù)狀態(tài)的浮體晶體管截止；在浮體晶體管的漏端/源端偏置高電平脈沖，以使所述導(dǎo)通的浮體晶體管的浮體區(qū)的存儲電荷實現(xiàn)第一增量，或者以使所述截止的浮體晶體管的浮體區(qū)的存儲電荷實現(xiàn)第二增量，所述第一增量遠大于第二增量；在浮體晶體管的隱埋層上偏置電壓脈沖以使隱埋層與浮體區(qū)之間的PN結(jié)反向截止；(2)在浮體晶體管的隱埋層上偏置電壓脈沖，以使隱埋層與浮體區(qū)之間的PN結(jié)弱導(dǎo)通；以及(3)重復(fù)所述第(1)步驟。
2.如權(quán)利要求1所述的刷新操作方法，其特征在于，所述第(2)步驟中，在浮體晶體管的漏端/源端同時偏置0電平。
3.如權(quán)利要求1所述的刷新操作方法，其特征在于，所述第(1)步驟和所述第(2)步驟連續(xù)進行。
4.如權(quán)利要求1所述的刷新操作方法，其特征在于，所述浮體晶體管存儲器單元為 NMOS型體硅浮體晶體管存儲器單元。
5.如權(quán)利要求1所述的刷新操作方法，其特征在于，所述第一數(shù)據(jù)狀態(tài)為“1”，所述第二數(shù)據(jù)狀態(tài)為“0”，所述高電平為0. 5 0. 8伏。
6.如權(quán)利要求1所述的刷新操作方法，其特征在于，所述刷新操作在體硅浮體晶體管存儲單元的數(shù)據(jù)保持過程中進行。
7.—種體硅浮體晶體管存儲器的刷新操作方法，所述存儲器包括存儲陣列，其特征在于，包括以下步驟(1)存儲陣列中浮體晶體管的柵極上同時偏置電壓脈沖，以使存儲第一數(shù)據(jù)狀態(tài)的浮體晶體管導(dǎo)通、存儲數(shù)據(jù)第二數(shù)據(jù)狀態(tài)的浮體晶體管截止；在存儲陣列中浮體晶體管的漏端/源端同時偏置高電平脈沖，以使所述導(dǎo)通的浮體晶體管的浮體區(qū)的存儲電荷實現(xiàn)第一增量、使所述截止的浮體晶體管的浮體區(qū)的存儲電荷實現(xiàn)第二增量，所述第一增量遠大于第二增量；在存儲陣列中浮體晶體管的隱埋層的共同引出端上偏置電壓脈沖以使隱埋層與浮體區(qū)之間的PN結(jié)反向截止；(2)存儲陣列中浮體晶體管的隱埋層的共同引出端上偏置電壓脈沖以使隱埋層與浮體區(qū)之間的PN結(jié)弱導(dǎo)通；以及(3)重復(fù)所述第(1)步驟。
8.如權(quán)利要求7所述的刷新操作方法，其特征在于，所述第(2)步驟中，在存儲陣列中浮體晶體管的漏端/源端同時偏置0電平。
9.如權(quán)利要求7所述的刷新操作方法，其特征在于，所述第(1)步驟和所述第(2)步驟連續(xù)進行。
10.如權(quán)利要求7所述的刷新操作方法，其特征在于，所述浮體晶體管存儲器為NMOS型體硅浮體晶體管存儲器。
11.如權(quán)利要求7所述的刷新操作方法，其特征在于，所述第一數(shù)據(jù)狀態(tài)為“1 ”，所述第二數(shù)據(jù)狀態(tài)為“0”，所述高電平為0. 5 0. 8伏。
12.如權(quán)利要求7所述的刷新操作方法，其特征在于，所述刷新操作在浮體晶體管存儲器的數(shù)據(jù)保持過程中進行。
全文摘要
本發(fā)明屬于動態(tài)隨機存儲器技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種體硅浮體晶體管存儲器的刷新操作方法。本發(fā)明的刷新操作方法包括在體硅FBC的隱埋層上偏置電壓脈沖以使隱埋層與浮體區(qū)之間的PN結(jié)弱導(dǎo)通步驟，使存儲器由“強1”狀態(tài)變?yōu)椤叭?”狀態(tài)，或者由“弱0”變?yōu)椤皬?”狀態(tài)；該方法并不利用Charge Bumping(電荷泵)效應(yīng)進行刷新操作，因此具有刷新操作的可靠性高的特點。同時，對于FBC存儲器單元或存儲器，刷新操作過程中不存在讀取過程，進而可以對FBC存儲器的存儲陣列進行整體刷新操作。
文檔編號G11C11/406GK102169714SQ20101011375
公開日2011年8月31日 申請日期2010年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月25日
發(fā)明者孟超, 林殷茵, 程寬, 董存霖 申請人:復(fù)旦大學(xué)