專利名稱：Fram存儲單元的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一個SRAM存儲單元。
隨機存取的靜態存儲器的存儲單元已公知，其中，觸發器用于存儲電位值，該電位值表明邏輯狀態。對此，觸發器是由四個場效應晶體管構成的。此外，這個存儲單元具有二個開關二極管，它用于存儲單元的讀入和讀出，開關晶體管的基極和SRAM的字線相連接，并且開關晶體管連接具有一對位線的觸發器。總共涉及的是6個晶體管的存儲單元。還已知用二個場效應晶體管和二個電阻實現了觸發器，因此得出一個4個晶體管的存儲單元。
本發明的任務在于獲得一個SRAM存儲單元，它具有小的所需面積。
此任務通過權利要求1的SRAM存儲單元觸發。其中，雙穩態的場效應晶體管代替觸發器用于存儲二個邏輯狀態。一個邏輯狀態相當于截止雙穩態晶體管，另一個邏輯狀態相當于導通雙穩態晶體管。
這里雙穩態場效應晶體管應當理解為一個晶體管，它具有一個滯后的電流-柵極電壓特性曲線，因此，僅僅通過設置一個合適的正的或一個合適的負的閥值電壓，晶體管從截止狀態轉換成高電流狀態，并且反向轉換。在兩個閥值電壓值之間的柵極電壓值不引起狀態轉換。雙穩態晶體管例如也可以通過電壓脈沖控制，該電壓脈沖在數值上僅短暫地超過各自的(正的或負的)閥值電壓。
圖2說明的是雙穩態場效應晶體管的已提及的滯后作用過程，同時設定漏極-源極電壓VDS為不變，并且大于限定的最小值，在這里開始滯后特性，并且在雙穩態晶體管運行期間，不應該不超過這個最小值。橫坐標上標注的是柵極-源極電壓UGS，在縱坐標上標注的是漏極電流I的對數值。用VE表示正的閾值電壓。
在“微電子產品和可靠性”的1802卷，(1992)，202頁及下一頁，由N.Kistler、E.V.Ploeg、J.Woo和J.Plumer所著的文章“Breakdown Voltage of Submicron MOSFETs in Fully DepletedSOI”中公開了一個場效應晶體管，按本發明它可以用作雙穩態場效應晶體管。在此說明了一個完整的耗盡型的(也就是說在不導電狀態，在它的導電溝道中實際上不存在自由載流子)水平N溝道場效應晶體管，它是用SOI(Silicon on Insulator)技術制造。它的導電溝道是浮動的，也和不固定的電位連接。
在上面安置了雙穩態晶體管的襯底經與一個襯底電位連接在一起。然后，為了實現導電溝道的浮動，導電溝道同襯底絕是必需的。在已說明的技術標準中，通過使用SOI技術實現以上方法。然而，也可以用已說明的技術標準的不同方式，在半導體襯底上垂直安置雙穩態晶體管，因此，它的導電溝道以平面方式同襯底絕緣，例如可以通過分子束外延制造這樣的垂直雙穩態晶體管。通過這個方法，可以實現幾十納米的溝道長度。實驗中確定，小于100nm的溝道長度，例如85nm，特別適合于生產垂直的雙穩態晶體管。
對于雙穩態晶體管的制造來說，在截止狀態耗盡它的導電溝道是重要的。在高電流狀態，也就是說在加上一個超過正的閥值電壓的柵極電壓的情況下，然后發生晶體管擊穿，同時通過碰撞電離釋放載流子。在大于1μm溝道長度上，通過使用少量摻雜物質的導電溝道可以達到足夠的耗盡層。較短的溝道長度產生具有較高摻雜濃度的導電溝道。特別是通過截止PN結的絕緣層的擴寬，在加上漏極-源極電壓時。能夠產生耗盡層。在短的溝道長度上，在低的漏極-源極電壓(例如L3V)情況下，產生一個足夠高的電場強度，在高電流狀態中，這個電場強度對于擊穿來說是必需的。
已說明的滯后效應產生如下作用如果雙穩態場效應晶體管的漏極-源極電壓高于已提及的最小值，該值通過使用的工藝和晶體管的規格確定，那么可以通過提高它的柵極-源極電壓到高于同樣可調整正閥值電壓的值，改變雙穩態場效應晶體管從截止狀態到導通或高電流狀態。當柵極-源極電壓又降低到正閥值電壓以下的值，只要還沒不超過漏極-源極電壓的最小值，那么就保持在高電流狀態。首先，當加上一個足夠的負的柵極-源極電壓時，在它不超過負的閥值電壓的情況下，晶體管又截止。這個說明針對的是n溝道型雙穩態晶體管，可是在P溝道晶體管上同樣起作用。
適合本發明的存儲單元按照下面的原理工作，對此利用雙穩態場效應晶體管的滯后特性為了寫入一個最初的邏輯值，例如一個邏輯1，通過加上一個合適的柵極電位(在此時，超過了柵極-源極電壓的正閥值電壓)，借助一個最初的位線，將雙穩態晶體管轉換到它的高電流狀態。這個狀態被保持，即使當柵極-源極電壓又達到低于正閥值電壓的值。寫入第二個邏輯值，例如一個邏輯0，通過加上一個足夠負的柵極-源極電壓(并且不超過負的閥值電壓)，雙穩態晶體管從它的高電流狀態轉換到截止狀態。也就是可以通過電壓脈沖控制雙穩態晶體管。
通過第二溝道接口同一個第二位線的連接，實現存儲單元的讀出。然后根據雙穩態晶體管的狀態，把第二位線或者加上第一電位值，或者加上第二電位值。
由于根據本發明僅僅唯一的雙穩態場效應晶體管和一個電阻代替技術標準中的觸發器用于存儲，其中觸發器具有四個晶體管或具有二個晶體管和二個電阻，因此，與已知的解決辦法相比至少節省一個晶體管和一個電阻，因此實現了存儲單元的較小的所需平面。
如果預先規定各自的第一和第二場效應晶體管用于寫入和讀出存儲單元，則通過雙穩態晶體管，實現了晶體管存儲單元代替已知的6或4晶體管存儲單元。
有益的是，第一位線與第二位線相一致，也就是說僅存在一個位線。通過這個位線不僅實現了寫入存儲單元也實現了讀出存儲單元。因此，根據本發明的存儲單元或者具有二個位線和一個唯一的字線來控制第一和第二晶體管，或具有僅僅一個唯一的位線和各自的字線來控制第一和第二晶體管。當然，任何時候存在兩個位線和兩個字線也是可能的。
有利的是，通過一個第二電阻，雙穩態晶體管可與一個第三電位連接，它保證，不在任何時刻具有一未確定電位。然后實現了存儲單元的較小的所需面積。
下面借助附圖根據實施例詳細說明本發明。


圖1所示為本發明的存儲單元的一實施形式；圖2所示為源自圖1的雙穩態場效應晶體管的滯后特性曲線。
圖1指出了一個雙穩態場效應晶體管BIMOS，它的第一溝道接口D和一個第一電位VCC的接線端連接，它的第二溝道接口通過一個第一電阻R1與第二電位大地的接線端相連接。
在本發明的這個實施例中，雙穩態場效應晶體管BLMOS是n溝道型的。并假設，第一電位VCC大于第二電位大地。例如，二個電位VCC，地可能是一個一體化電路的電源電位，該電路的組成部分是SRAM存儲單元。此外第二電位大地可能例如是一個參考電位。由于第一電位VCC大于第二電位是假定的，所以在本實施例中，雙穩態場效應晶體管BIMOS的第一溝道接口D是它的漏極，第二溝道接口S是它的源極。
顯然，建立一個具有一個P溝道型的雙穩態晶體管是可能的，那么在它上面可以選擇第一電位VCC小于第二電位大地。
圖1中的雙穩態場效應晶體管BIMOS的柵極G，通過在本實施例中是n溝道型的第一場效應晶體管T1，與第一位線BLI連接。可以通過一個第一字線WL1控制這個第一場效應晶體管T1，字線與它的柵極相連接。
雙穩態場效應晶體管BIMOS的第二溝道接口S，可以通過一個第二場效應晶體管T2，與一個第二位線BL2相連接，在本實施例中，第二位線BL2同第一位線是相同的。可以通過一個第二字線WL2控制第二場效應晶體管T2，第二字線與它的柵極相連接。
第一個晶體管T1和第二個晶體管T2也可以是P溝道型的，因此，對于它的控制來說可以相應改變二個字線WL1、WL2的電位。
在第一個晶體管T1和第二個晶體管T2導通的情況下，通過一個第二電阻R2把第三電位V3置于雙穩態場效應晶體管BIMOS的柵極G上，在本實施例中，V3等于第二電位大地。通過第二電阻R2保證，例如G不在任何時刻浮動，也就是說決不具有一未確定的電位。應當如此選擇第三電位V3的值，即，在第一個晶體管T1和第二個晶體管T2導通的情況下，雙穩態晶體管BIMOS的柵極-源極電壓UGS不比它的正閥值電壓Ue大，并且也不比負的閥值電壓Ux小，在這種情況下，實現了從高電流狀態到截止狀態的轉變(參見圖2)。也可以取消第二電阻R2，可是存儲單元此外根據已浮動的柵極G要克服功能缺陷。
圖1中已說明的存儲單元以下列方式工作1)寫入存儲單元正如下面還要解釋的，在第二溝道接口S上的電位可以假設為二個值一方面為第一電位VCC值減去至少上面已說明的漏極-源極電壓Uds的最小值，該最小值對于維持高電流狀態是必須的。另一方面是第二電位大地的值。兩個值的任一個是如此確定的即依靠是否雙穩態晶體管BIMOS是處于截止狀態或處于高電流狀態。對此，雙穩態晶體管BIMOS的高電流狀態對應一個已存儲的邏輯1，截止狀態對應于一個已存儲的邏輯0。
通過第二位線WL2讓第二個場效應晶體管T2截止。在已說明的實施例中，這是通過第二位線WL2具有一電位實現的，該電位同第一電位VCC相反，也就是同VCC有相同值，可是有相反的符號。應當假設，雙穩態場效應晶體管在開始時處于截止狀態(也就是說，在存儲單元中例如存儲一個邏輯0)。此外，通過第二電阻R2或第一電阻R1把第二電位大地不僅加到它的柵極G上，而且也加到第二溝道接口S上。
如果現在通過把第一字線WL1加到第一電位VCC的值上導通(高電流狀態)第一個場效應晶體管T1，則可以在存儲單元中寫入一個新的存儲值(例如一個邏輯1)。對此，在導通第一晶體管T1之前，實現把第一位線BL1加到一個電位上(例如它可以等于第一電位VCC)，根據與雙穩態晶體管BIMOS的柵極G建立的連接，該電位加到它的柵極上，因此超過了雙穩態晶體管BIMOS的正閥值電壓Ue。
根據雙穩態場效應晶體管BIMOS的特征，當第一場效應晶體管又截止，并且通過第二電阻R2第二大地又重新位于雙穩態場效應晶體管BIMOS的柵極G上，雙穩態的晶體管保留在高電流狀態，也就是導通狀態。在高電流狀態中，漏極-源極電壓Uds不再下降到低于已說明的最低值是重要的。這是可以通過合適的雙穩態晶體管BIMOS和第一電阻R1的參數選擇來達到的。
只要當雙穩態場效應晶體管BIMOS重新截止，被存儲的邏輯狀態的再度轉換是可能的。這是通過第一位線BL1獲得一負電位發生的，該負電位低于雙穩態場效應晶體管BIMOS的負的滯后閥值Ux。如果第一場效應晶體管T1然后導通，則雙穩態場效應晶體管BIMOS的柵極G的電位差不多與位線BL上電位一致。雙穩態場效應晶體管BIMOS截止，通過第一電阻R1，第二電位大地又位于第二溝道接口S上。
2)讀出存儲單元第一場效應晶體管T1截止。通過第二場效應晶體管T2實現讀出存儲單元。如果T2導通，第二位線BL2被加上第二溝道接口S上的電位。對此，在第二場效應晶體管T2導通之前，第二位線BL2被預先加上第二電位大地的值是有利的。如果在第二溝道接口S上同樣存在第二電位大地(雙穩態晶體管BIMOS截止)，則不必通過高阻值的第一電阻R1進行第二位線BL2的轉接。相反，如果在第二溝道接口S上存在第一電位VCC減去雙穩態晶體管BIMOS的漏極-源極電壓后的電位(雙穩態晶體管于是就導通)，則通過雙穩態場效應晶體管BIMOS和第二場效應晶體管T2對第二位線BL2加壓。雖然，因此在第二溝道接口S上的電位暫時較小地下降，可是因此雙穩態場效應晶體管BIMOS還繼續導通(因為它的漏極-源極電壓Uds因此增大)，所以還提前轉接第二位線BL2。
在適合的參數選擇(在1012Ω范圍內的第一電阻R1的值)情況下，也在導通雙穩態晶體管BIMOS的情況下，存儲單元具有只不過很小的靜電流(然后第二場效應晶體管T2截止并且不再讀出)，然而另一方面，在讀出存儲單元時，可能得到位線BL的較高負載電流，該電流是通過雙穩態晶體管BIMOS提供的，正如上面已說明的，可以預先用第二電位大地加載第二位線BL2，因此負載電流決不流過第一電阻R1。電阻R1必須如此計算，在截止狀態，主要通過截止的雙穩態晶體管BIMOS降低在第一電位VCC和第二地電位之間的電壓，因此，在第二溝道接口S上存在的幾乎就是第二電位大地。相反在高電流狀態，在第二溝道接口S上存在的是第一電位VCC和漏極-源極電壓的最小值的差。
在通過第二晶體管T2讀出期間，保持存儲單元的存儲狀態，也就是雙穩態晶體管BIMOS的狀態(截止或高電流狀態)不改變。只有通過第一場效應晶體管T1和第一位線BL1可以實現存儲狀態的變更。
因此，在導通第一晶體管T1的情況下，僅僅一較低的電流在雙穩態場效應晶體管BIMOS的柵極G和第二電位大地之間流過，第二電阻R2也選擇盡可能的高阻值。
本發明提供了一有益的3晶體管SRAM存儲單元。具有一垂直的雙穩態晶體管BIMOS的試驗。已表明，當在雙穩態晶體管的柵極G上存在第二電位大地時，雙穩態晶體管長時間保持在高電流狀態和截止狀態。根據實驗證明大于4小時的存儲時間。滯后的柵極電壓特性曲線(圖2)可不變地周期性進行。
權利要求
1.SRAM存儲單元，具有以下特征-具有一個雙穩態場效應晶體管(BIMOS)，該晶體管的第一溝道接口(D)與第一電位接線端(VCC)相連接，-雙穩態場效應晶體管(BIMOS)的第二溝道接口(S)與一個第一電阻(R1)相連接，該第一電阻的另一側與一個第二電位接線端地相連接，-雙穩態場效應晶體管(BIMOS)的柵極(G)通過一個第一開關元件(T1)可以與一個第一位線(BL1)相連接，-雙穩態場效應晶體管(BIMOS)的第二溝道接口(S)通過一個第二開關元件(T2)可以與一個第二位線(BL2)相連。
2.根據權利要求1的SRAM存儲單元，其特征在于，雙穩態場效應晶體管(BIMOS)的柵極(G)與一個第二電阻(R2)相連接，遠離該柵極的該電阻另一端可以與一個第三電位(V3)相連接。
3.根據上述權利要求之一的SRAM存儲單元，其特征在于，在讀過程之前，可以預先給第二位線(BL2)施加第二電位(大地)的值。
4.根據上述權利要求之一的SRAA存儲單元，其特征在于，在寫過程之前，第一位線(BL1)有選擇地具有兩個不同極性的電位中的一個。
5.根據權利要求4的SRAM存儲單元，其特征在于，兩個不同極性的電位具有相同的值，比如第一電位(VCC)。
6.根據上述要求之一的SRAM存儲單元，其特征在于，第一個開關元件(T1)是第一個場效應晶體管(T1)，它的柵極與一個第一字線(WL1)相連接。
7.根據上述要求之一的SRAM存儲單元，其特征在于，第二個開關元件(T2)是第二個場效應晶體管(T2)，它的柵極與一個第二字線(WL2)相連接。
8.根據權利要求7的SRAM存儲單元，其特征在于，第一字線(WL1)與第二字線(WL2)是相同的。
9.根據權利要求1至7之一的SRAM存儲單元，其特征在于，第一位線(BL1)與第二位線(BL2)是相同的。
全文摘要
晶體管存儲單元包括一個雙穩態場效應晶體管BIMOS,它具有完全耗盡的、浮動的導電溝道,該導電溝道具有一滯后的柵極電壓特性曲線。該雙穩態晶體管的柵極G在對存儲單元寫入時可以與一個第一位線BL1相連接,它的第二溝道接口S在讀出存儲單元時可以和一個第二位線BL2相連接,對此,兩個位線BL1、BL2可以是相同的。可以通過一個第一晶體管T1或第二晶體管T2實現在位線BL1,BL2和雙穩態晶體管BIMOS之間的連接,這兩個晶體管由各自的一個字線WL1、WL2控制。
文檔編號G11C11/412GK1197532SQ96197120
公開日1998年10月28日 申請日期1996年9月16日 優先權日1995年9月21日
發明者H·高斯納, I·艾瑟勒, F·維特曼, V·拉姆高帕爾勞 申請人:西門子公司