專利名稱：一種新型的相變存儲器的讀操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型的相變存儲器的讀操作方法。
背景技術(shù)：
相變存儲器的基本存儲單元為采用了相變材料的存儲器件。相變材料是指可以在一般 非晶體和一般晶體狀態(tài)之間電切換的材料，適用于這樣的應(yīng)用的典型材料包括各種硫?qū)僭?br> 素化合物。通過在器件上施加一定數(shù)值的持續(xù)電激勵，相變材料便會因為溫度的變化而在 晶體和非晶體的狀態(tài)間轉(zhuǎn)變。如圖1所示，處于晶體和非晶體狀態(tài)下的相變材料具有相當 不同的I/V特性,依據(jù)此特性便可以在編程時將相變材料存儲器的狀態(tài)區(qū)分為"0"和"1"。 我們將處于高阻臺的非晶體狀態(tài)定義為邏輯"0"，將處于低阻狀態(tài)的晶體狀態(tài)定義為邏輯
"1"。
而且，在沒有施加過溫(比如持續(xù)超過150度)的情況下，相變材料的狀態(tài)不會改變。 在實際應(yīng)用中，將所編程的值與相應(yīng)的物理狀態(tài)對應(yīng)好以后，因為相變材料物理狀態(tài)的穩(wěn) 定性，在掉電后編程的值將得到維持，不需要持續(xù)的刷新。
相變材料的相位變化是通過升高材料的溫度來進行的。當?shù)陀?5(TC時，相變材料的物 理狀態(tài)會保持穩(wěn)定。當溫度高于200。C (圖2中所示的Tx)時，相變材料會迅速的發(fā)生晶 體化，并在一段時間后完全的從非晶體態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w態(tài)(圖2中所示的時間t2)，即完成 所謂的相變，實現(xiàn)從"0"向"1"的變化。如果要實現(xiàn)"1"到"0"的變化，即晶體到非 晶體的轉(zhuǎn)變，則需要將相變材料加熱到可以令晶體融化的溫度Tm之上(大概在60(TC)， 然后迅速冷卻(圖2所示的時間tl)。
以上是基于相變材料基于溫度而產(chǎn)生的相變。具體涉及到電學(xué)操作時，因為相變材料 總歸具有一定的電阻，通過加上適當?shù)碾娏鞑⒕S持適當?shù)臅r間，通過形成的焦耳熱便可以
完成相位變化。
存儲器中，相變材料構(gòu)成的器件通常會與一個開關(guān)器件一起構(gòu)成一個基本單元。實際 的電路設(shè)計中，開關(guān)器件可以選擇MOSFET、 二極管或者雙極型晶體管。通過在字線WL 上施加一定的電壓使開關(guān)器件導(dǎo)通，再在位線BL上通上適當?shù)膶戨娏鞑⒊掷m(xù)一定的時間， 因為持續(xù)的過溫，相變材料的物理狀態(tài)便會發(fā)生改變。如果事先獲得了相變材料的物理變 化和字線BL上寫電流的關(guān)系，并規(guī)定兩種物理狀態(tài)為相應(yīng)的"0"和"1"，便可以通過電 流對存儲器進行編程，這便是所謂的存儲器的寫操作。我們將寫"0"稱為reset,寫"1"
稱為set,兩種操作時電流和時間的關(guān)系如附圖1所示。
讀操作時，同樣是通字線WL選中一個單元，再在位線BL上施加一個瞬態(tài)的電流或 者電壓脈沖，通過相變材料器件后，在器件兩端形成一個對應(yīng)的壓降或者在位線BL上形 成相應(yīng)的電流。將這個電壓信號或者電流信號送入一個比較器(因為瞬態(tài)激勵很小，必要 的話可以先經(jīng)過放大器放大)。而在比較器的另一個輸入一個合適的參考電壓，通過與來 自存儲器的電壓或者電流進行比較，從而判斷讀到的是邏輯電平O還是邏輯電平1，再將 這個判斷結(jié)果從比較器的輸出端輸出，于是便實現(xiàn)了讀操作。因為讀操作只有一個很小的 瞬態(tài)電流，所以并不會改變相變材料存儲器的狀態(tài)。
相變存儲器的1TlR結(jié)構(gòu)如圖3a， 301為相變材料，他的狀態(tài)代表著相應(yīng)的數(shù)據(jù)。302 為一個mos管。讀取數(shù)據(jù)時，在302柵端(302a)加上合適的電壓使302開啟。這時，根 據(jù)301阻值的不同(也就是數(shù)據(jù)的不同)我們就可以在302b段得到不同的電流或電壓， 這樣就區(qū)分開了存儲的數(shù)據(jù)"0"和"1"。但是對于1T1R結(jié)構(gòu)有個不足之處。眾所周知， mos管的驅(qū)動能力比較弱。我們常把相變材料高阻時，看作存有數(shù)據(jù)O，低阻時看作存有 數(shù)據(jù)1。當301存儲"1"時，阻值大概在1K ohm左右，當301存儲"0"時，阻值要大 于1M ohm。所以當對于301不同狀態(tài)的阻值，如果希望在202b端得到的電流或電壓比 較有區(qū)分度(電流大小相差大)的話，我們就需要大大增大mos管的寬長比來達到。但是 這樣就使得存儲器面積也大大增大了 。
Intel的一種1B1R結(jié)構(gòu)如圖3b,其原理與1T1R類似。不同之處在于采用的是三極管 (312)。我們在三極管基極G12a)處加上一定的電壓時，三極管導(dǎo)通，對于311不同的 電阻值我們在三極管發(fā)射極(312b)得到的電流或電壓也不同。根據(jù)電流或電壓的不同我 們就能識別存儲的是"0"還是"1"。他相對于1T1R結(jié)構(gòu)的好處是三極管的驅(qū)動能力比較 強，同等窗口，也就是擁有相同電流或電壓區(qū)分度時，采用三極管可以使存儲器面積小很 多。但是1B1R結(jié)構(gòu)也有不足之處。當312a (三極管基極)加上一個電壓使三極管開啟時， 即使311處于高阻態(tài)時，通過三極管的電流也比較大，因此這個單元的功耗相對也會很大， 也就是存儲器的功耗會很大。而mos管由于柵端是虛斷，其靜態(tài)電流很小，所以功耗也相 對較小。
而且，不論是1T1R還是1B1R結(jié)構(gòu)，為了比較我們得出的電流是"0"還是"1"，我 們都需要一個參考電流或電壓。而引入?yún)⒖紩牒芏嘈碌膯栴}。從工藝方面來講，由于 工藝上的摻雜不完全均勻以及工藝技術(shù)上的偏差，參考的理想值與實際值會有一定的偏 差。這個偏差就需要設(shè)計時考慮更多的因素，必將增加存儲器件的面積和成本。而從器件 本身角度，器件參數(shù)往往容易發(fā)生變化。比如由于溫度變化帶來的器件參數(shù)的變化，就需
要設(shè)計時采用帶隙基準或其他相關(guān)方案。這在另外一個角度又增加了存儲器的面積和成
本。這些也是傳統(tǒng)相變存儲器的不足之處。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種讀相變存儲器的方法，對其讀操作方法的特征為讀操作時先在字線上 加入第一電壓，對放大器一端的電容進行充電或放電。再在位線上加入第二電壓，對放大 器另一端電容進行充電或放電。比較放大器兩端電容的電壓，讀出相變存儲器的數(shù)據(jù)。
本發(fā)明提出的相變存儲器結(jié)構(gòu)包括數(shù)條字線、數(shù)條位線、數(shù)個相變存儲單元，數(shù)個相 變存儲單元位于一條字線和一條位線的交叉點。
本發(fā)明所述的讀相變存儲器的方法，其中相變存儲器結(jié)構(gòu)的位線在多路選擇器進行選 擇，然后分成兩路分別經(jīng)過第一選通開關(guān)和第二選通開關(guān)連接到讀出放大器的兩端。讀出 放大器兩端接到第三開關(guān)的兩端。
本發(fā)明提出一種讀相變存儲器的方法，對讀出放大器的操作順序為先閉合第三選通 開關(guān)，使讀出放大器兩端電位相同，再依次閉合第一選通開關(guān)和第二選通開關(guān)。
本發(fā)明所述的相變存儲單元，相變存儲單元由選通器件和一個相變存儲電阻組成，其 中所述的選通器件是雙極型晶體管。
本發(fā)明采用讀數(shù)據(jù)時，在讀出放大器里面進行比較。所以，取一個精度相對較高的讀 出放大器我們就可以把他的靜態(tài)電流和動態(tài)電流都控制得相對很小，這樣對于每個存儲單 元的功耗都較小。而從這個角度上來說，由于每個存儲單元的電流都相對較小，所以可同 時被選通的單元就相對較多，相應(yīng)的速度反而又能夠得到提升，而且提升的速度要遠遠大 于多耗費的兩倍的讀取時間。
這個發(fā)明釆用了三極管來構(gòu)成主要的存儲器單元。三極管相對mosfet來說，具有更大 的驅(qū)動能力，也就是在相同的驅(qū)動能力下，mosfet需要用更大的面積來實現(xiàn)功能。
這個發(fā)明提出的讀操作不需要參考電流或者電壓，可以減少由于工藝多樣性帶來的各 個存儲單元之間的差異。同時如果需要參考電流和電壓的話，我們就不可避免的要考慮溫 度變化或者其他外界因素帶來的器件變化，這樣我們就要在設(shè)計中使用跟多的器件和電路 來保證電路的穩(wěn)定運行。而本發(fā)明不需要參考電壓或電流，極大的提高了器件的效率。


本發(fā)明以實例的方式而非限定的方式被圖示在附圖的圖形中，附圖中相似的參考標記 指示類似的元素。
圖1示出了相變存儲單元I一V特性曲線圖.
圖2示出了是相變存儲單元操作電流電壓圖。 圖3a示出了傳統(tǒng)的相變存儲器單元的1T1R結(jié)構(gòu)的電路示意圖。 圖3b示出了 Intel-ST提出的相變存儲器單元的1B1R結(jié)構(gòu)的電路示意圖。 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的原理圖。是對于整個發(fā)明中電路關(guān)鍵路徑和基 本原理的一個描述。
圖5示出了圖4關(guān)鍵路徑的等效電路圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電路結(jié)構(gòu)圖，其中加入了本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)來改善 存儲器性能。 圖中標號
Fig2是傳統(tǒng)的相變存儲單元結(jié)構(gòu)，211是相變存儲器reset脈沖，212是相變存儲器set 脈沖，300是1T1R結(jié)構(gòu)存儲單元，301為相變電阻，302為mos管器件。302a為mos管 器件的柵極，302b為mos管器件的源極。310為相變存儲器1B1R結(jié)構(gòu)的電路示意圖，312 為三極管器件，312a為三極管基極，312b為三極管發(fā)射極。400是操作電路的關(guān)鍵路徑。 Tll， T12， T21為mos管開關(guān)，Cl， C2為電容，Sl為讀出放大器。500是更為清晰的操 作原理圖。Tll， T12， T21為3個開關(guān)。600為使用本發(fā)明操作方法的一種存儲器結(jié)構(gòu)圖。 610是本發(fā)明外加電路，620是多路選擇器，630是存儲器陣列，640是行驅(qū)動模塊，650 是行譯碼器，WL1 WL4為字線，BL1 BL4為位線。R11-R44為相變電阻，B11 B44為 三極管器件，Tll， T21， T12為mos管開關(guān)。Cl， C2為電容，Sl為讀出放大器。
具體實施例方式
在下文中結(jié)合圖示在參考實施例中更完全地描述本發(fā)明，本發(fā)明提供優(yōu)選實施例，但 不應(yīng)該被認為僅限于在此闡述的實施例。相反，提供這些實施例以便此公開是徹底的和完 全的，將本發(fā)明的范圍完全傳遞給相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員。
在此參考圖是本發(fā)明的理想化實施例的示意圖，本發(fā)明所示的實施例不應(yīng)該被認為僅 限于圖中所示的區(qū)域的特定形狀。
本發(fā)明涉及一種新型的相變存儲器的讀操作的方法。
附圖(1 3)在發(fā)明技術(shù)背景中進行了解釋。
圖4示出了本發(fā)明提出的一個實施例的原理圖，包括了字線WL，位線BL，三極管器 件，相變電阻，mos管開關(guān)Tll， T12， T21，電容C1， C2和讀出放大器S1。 Tll和T12 兩個inos開關(guān)一端和位線相連，另一端接到讀出放大器S1的兩個輸入端口。讀出放大器 兩個輸入端各有一個電容C1和C2，讀出放大器的兩端還接有一個開關(guān)mos管的兩端。選 通三極管和相變電阻構(gòu)成存儲單元。當進行寫操作時，WL接地，BL接一個電平，于是相 變電阻就被寫成了"0"或者"1"。當BL接高電平時，相變電阻呈高阻狀態(tài)，被寫成了"O"。
當BL接一個低電平時，相變電阻呈低電阻狀態(tài)，被寫為了 "1"。要讀數(shù)據(jù)時，基極分別 在兩個電壓狀態(tài)，對應(yīng)不同的基級電壓，我們控制開關(guān)使他分別對C1和C2進行充放電。 若所存數(shù)據(jù)為"0"，充電電流會都很小，電容所存的電壓差別很小，讀出放大器得到的值 為0.若所存數(shù)據(jù)為"1"，充電電流差別會比較大，電容所存的電壓差別較大，讀出放大器 得到的值為1.
圖5為一個利用本發(fā)明實施的可行的原理圖。圖中存儲單元由三極管和相變電阻構(gòu)成， 位線被引出，拉到第一選通開關(guān)T11和第二選通開關(guān)T12上，第一第二選通開關(guān)分別連接 到讀出放大器的兩端。本發(fā)明提出的相變存儲器讀數(shù)據(jù)時的操作流程如下。
要開始讀操作時，先把第一選通開關(guān)Tll和第二選通開關(guān)T12打開，第三選通開關(guān) T21閉合使兩個電容C1和C2上的電壓相等。然后斷開第三選通開關(guān)T21。開始讀數(shù)據(jù)的 第一個時間周期，先閉合第一選通開關(guān)Tll，再在WL上加一個第一電壓，使三極管上有 一個電流通過。若相變電阻為高阻狀態(tài)，這時電阻的阻值會很大，則流過三極管的電流會 很小，所以對電容C1的充電也會很慢甚至幾乎為O.若相變電阻為低阻狀態(tài)，則電阻的阻 值不是很大，流過三極管的電流對C1充電，在C1上就得到了一個電壓。讀數(shù)據(jù)的第二時 間周期，先關(guān)斷第一選通開關(guān)Tll，再閉合選通開關(guān)T12，在WL上加一個第二電壓，使 三極管上有一個電流通過。若相變電阻為高阻狀態(tài)，這時電阻的阻值會很大，則流過三極 管的電流會很小，所以對電容C2的充電也會很慢甚至幾乎為O.若相變電阻為低阻狀態(tài)， 則電阻的阻值不是很大，流過三極管的電流對C2充電，在C2上就得到了一個電壓。由于 第一電壓和第二電壓之間并不相等，所以對于低阻狀態(tài)相變電阻的存儲單元，其對電容充 放電的電容也并不一致，所以導(dǎo)致電容C1和C2之間的電壓有一個差值，所以在經(jīng)過讀出 放大器后，就得到了存儲在相變電阻里面的數(shù)據(jù)。而對于高阻狀態(tài)的相變電阻，其由于電 阻很大，存儲單元內(nèi)的電流就會很小，對于電容的充放電作用就不明顯，讀出放大器讀出 的結(jié)果就是O.
這個發(fā)明，對于存儲單元來說，讀取數(shù)據(jù)用了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)兩倍的時間。但是相應(yīng)的，本 發(fā)明的好處在于因為是對電容充放電后，在讀出放大器里面進行比較。所以，取一個精度 相對較高的讀出放大器我們就可以把他的靜態(tài)電流和動態(tài)電流都控制得相對很小，這樣對 于每個存儲單元的功耗都較小。而從這個角度上來說，由于每個存儲單元的電流都相對較 小，所以可同時被選通的單元就相對較多，相應(yīng)的速度反而又能夠得到提升，而且提升的 空間要遠遠大于2倍。
這個發(fā)明的優(yōu)點還在于他采用了三極管。三極管相對mosfet來說，具有更大的驅(qū)動能 力，也就是在相同的驅(qū)動能力下，mosfet需要用更大的面積來實現(xiàn)功能。
這個發(fā)明中的讀操作不需要參考電流或者電壓，而是與自己比較得出需要的結(jié)果。而 不需要參考電流和電壓避免了由于工藝多樣性帶來的各個存儲單元之間的差異。同時如果 需要參考電流和電壓的話，我們就不可避免的要考慮溫度變化或者其他外界因素帶來的器 件變化，這樣我們就要在設(shè)計中使用跟多的器件和電路來保證電路的穩(wěn)定運行。而本發(fā)明 不需要參考電壓或電流，有很大的好處。
圖6是本發(fā)明相變存儲器結(jié)構(gòu)的一個實施例。。610是發(fā)明電路的關(guān)鍵路徑，620是多 路選擇器，630是存儲器陣列，640是行驅(qū)動模塊，650是行譯碼器，WL1 WL4為字線， BL1 BL4為位線。R11 R44為相變電阻，B11 B44為三極管器件，Tll， T21， T12為 mos管開關(guān)。Cl， C2為電容，Sl為讀出放大器。存儲器陣列與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)類似，外接行選 擇和列選擇均與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)一樣。本發(fā)明提出的讀方法的一個可行性模塊連接到列選擇模塊 的輸出端。寫數(shù)據(jù)時，行選擇器和列選擇器選中存儲器單元，對相變電阻的阻值進行設(shè)置。 要讀數(shù)據(jù)的時候，行選擇器和列選擇器選中存儲器單元，先把第一選通開關(guān)T11和第二選 通開關(guān)T12打開，第三選通開關(guān)T21閉合使兩個電容Cl和C2上的電壓相等。然后斷開 第三選通開關(guān)T21。在第一個時間周期，第一選通開關(guān)閉合，WL為第一選中電壓。若相 變電阻為高阻狀態(tài)，這時電阻的阻值會很大，則流過三極管的電流會很小，所以對電容C1 的充電也會很慢甚至幾乎為0。若相變電阻為低阻狀態(tài)，則電阻的阻值不是很大，流過三 極管的電流對C1充電，在C1上就得到了一個電壓值。Tll根據(jù)相應(yīng)存儲器單元中的阻值 存一定的電壓放在電容C1中。在第二時間周期，關(guān)斷第一選通開關(guān)Tll,閉合選通開關(guān) T12，在WL上加一個第二選通電壓。若相變電阻為高阻狀態(tài)，這時電阻的阻值會很大， 則流過三極管的電流會很小，所以對電容C2的充電也會很慢甚至幾乎為O.若相變電阻為 低阻狀態(tài)，則電阻的阻值不是很大，流過三極管的電流對C2充電，C2上也就得到了一個 相應(yīng)的電壓。由于第一選通電壓和第二選通電壓之間并不相等，所以對于低阻狀態(tài)相變電 阻的存儲單元，其對電容充放電的電容也并不一致，所以導(dǎo)致電容C1和C2之間的電壓有 一個差值，所以在經(jīng)過讀出放大器后，就得到了存儲在相變電阻里面的數(shù)據(jù)。而對于高阻 狀態(tài)的相變電阻，其由于電阻很大，存儲單元內(nèi)的電流就會很小，對于電容的充放電作用 就不明顯，讀出放大器讀出的結(jié)果就是O.
權(quán)利要求
1、一種讀相變存儲器的方法，對其讀操作方法的特征為讀操作時先在位線上加入第一電壓，對放大器一端的電容進行充電或放電。再在位線上加入第二電壓，對放大器另一端電容進行充電或放電。比較放大器兩端電容的電壓，讀出相變存儲器的數(shù)據(jù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的讀相變存儲器的方法，其中相變存儲器結(jié)構(gòu)包括數(shù)條字線、 數(shù)條位線、數(shù)個相變存儲單元，數(shù)個相變存儲單元位于一條字線和一條位線的交叉點。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的讀相變存儲器的方法，其中相變存儲器結(jié)構(gòu)的位線在多路選 擇器進行選擇，然后分成兩路分別經(jīng)過第一選通開關(guān)和第二選通開關(guān)連接到讀出放大器的 兩端。讀出放大器兩端接到第三開關(guān)的兩端。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的讀相變存儲器的方法，對讀出放大器的操作順序為先閉合 第三選通開關(guān)，使讀出放大器兩端電位相同，再依次閉合第一選通開關(guān)和第二選通開關(guān)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的相變存儲單元，相變存儲單元由選通器件和一個相變存儲電阻組成，其中所述的選通器件是雙極型晶體管。
全文摘要
本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種新型相變存儲器的讀操作方法。每個相變存儲器結(jié)構(gòu)的位線在多路選擇器進行選擇，然后分成兩路分別經(jīng)過第一選通開關(guān)和第二選通開關(guān)連接到讀出放大器的兩端。讀出放大器兩端接到第三開關(guān)的兩端。其優(yōu)點在于功耗低，靜態(tài)電流小，并且由于是自參考，降低了工藝波動性對它的影響。
文檔編號G11C11/56GK101354910SQ20081004093
公開日2009年1月28日 申請日期2008年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月24日
發(fā)明者吳雨欣, 廖啟宏, 佶 張, 樂 徐, 林殷茵, 胡倍源, 薛曉勇 申請人:復(fù)旦大學(xué)