專利名稱：一種高讀取速度、低操作干擾的相變存儲單元存儲器及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種高讀取速度、低操作干擾的相變電阻存儲單 元結(jié)構(gòu)存儲器及其存儲操作方法
背景技術(shù)：
存儲器在半導(dǎo)體市場中占有重要的地位，由于便攜式電子設(shè)備的不斷普及，不揮發(fā) 存儲器在整個存儲器市場中的份額也越來越大，其中90%以上的份額被FLASH占據(jù)。但 是由于存儲電荷的要求，F(xiàn)LASH不能隨技術(shù)代發(fā)展無限制拓展，有報道預(yù)測FLASH技術(shù) 的極限在32nm左右，這就迫使人們尋找性能更為優(yōu)越的下一代不揮發(fā)存儲器。最近電阻 轉(zhuǎn)換存儲器(resistive switching memory)因為其高密度、低成本、可突破技術(shù)代發(fā)展限制 的特點引起高度關(guān)注，所使用的材料有相變材料[1]、摻雜的SrZr03[2]、鐵電材料PbZrTi03[3]、 鐵磁材料Pr^C^Mn03W、 二元金屬氧化物材料[5]、有機材料[6]等。二元金屬氧化物(如 Nb205， Al203,Ta205,TixO,NixO[5]， 0^0[7]等)由于在組份精確控制、與集成電路工藝兼容性 及成本方面的潛在優(yōu)勢格外受關(guān)注。
在眾多不揮發(fā)存儲器中，現(xiàn)在基于相變材料的相變存儲器被廣泛地研究，相變存儲技 術(shù)(phase change memory)又稱為OUM (Ovonic UnifieB Memory),對于硫系玻璃狀合金材 料，其存在一個具有閾值電壓的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程。通過實驗發(fā)現(xiàn)，這個轉(zhuǎn)變是硫系化合物 材料在外界信號的作用下發(fā)生了由晶態(tài)向非晶態(tài)的可逆轉(zhuǎn)化，因此我們稱其為相變材料。 Ge2Sb2Te5，以下簡稱GST，是一種典型的硫系半導(dǎo)體化合物。作為二進制數(shù)據(jù)存儲的載 體，GST有2種表現(xiàn)出不同特性的狀態(tài)非晶態(tài)和多晶態(tài)(多晶態(tài)有2種結(jié)構(gòu)低溫下的面 心立方和相對高溫下更穩(wěn)定的密排六方)。由于GST的多晶態(tài)和非晶態(tài)在電導(dǎo)率上有明顯 的差異，使得狀態(tài)區(qū)分變得十分簡單。
相變存儲器的存儲單元典型地包括兩個元件，也就是相變存儲電阻和選通晶體管，構(gòu) 成1B1R的結(jié)構(gòu)。圖l (a)是一個傳統(tǒng)的相變存儲單元結(jié)構(gòu)，其中101是相變存儲電阻， 102是字線，103是位線，Tll是選通晶體管，這里選通晶體管是三極管，其基極連到字線 102，發(fā)射極連到位線103，集電極接地。當(dāng)需要對這個存儲單元操作時，字線102降為低 電壓，比如0V，位線上接需要操作的電壓或電流。下面結(jié)合圖1 (b)說明對相變存儲單 元具體的操作方式。當(dāng)需要將相變存儲單元由低阻向高阻轉(zhuǎn)變時(又稱復(fù)位RESET)，需
要幅度大的電流或電壓脈沖作用于存儲單元，使之迅速達到熔點，同時這個電流脈沖具有 陡峭的下降沿，使相變材料淬冷，把大量的缺陷保存在材料中，使之成為非晶態(tài)。如曲線 111。當(dāng)需要將相變存儲單元由高阻向低阻轉(zhuǎn)變的過程(又稱置位SET)，則需要電流或電 壓把存儲單元加熱到晶化溫度的范圍，在較長的時間內(nèi)讓晶粒生成，最后使材料中存在一 定數(shù)量的晶化部分，如曲線112。 RESET脈沖幅度高，脈寬窄，下降陡，而SET脈沖則相 反。
如果要讀相變存儲單元，只需在其兩端加一預(yù)充電電壓，再進行放電，將其放電曲線 與一個參考電阻的放電曲線進行比較，即可得出相變存儲單元處于置位狀態(tài)還是復(fù)位狀 態(tài)。圖2 (a)反映了讀操作的過程，RL是參考電阻的位線，204是參考電阻，參考電阻的 阻值介于相變單元的高阻與低阻之間，205是預(yù)充電電路模塊，206為讀出放大器，207為 數(shù)據(jù)輸出。先由預(yù)充電電路模塊將BL和RL充到一個相同的電平，再將BL和RL進行放 電，由于BL和RL上連接的電阻阻值不同，它們的放電速度也不同，這就導(dǎo)致了讀出放 大器兩端的電平不同，讀出放大器的輸出端反映了相變存儲單元是高阻狀態(tài)還是低阻狀 態(tài)，即"0"或"1"。
圖2 (b)為相變單元高阻放電曲線，低阻放電曲線與參考電阻的放電曲線的比較，Vpre 為預(yù)充電電平，211為相變單元高阻放電曲線，212為參考電阻放電曲線，213為相變單元 低阻放電曲線，214為讀出放大器的靈敏范圍，當(dāng)讀出放大器的兩個輸出端電平差達到這 個范圍，即到達時間tl或t2時，讀出放大器輸出數(shù)據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供高讀取速度、低操作干擾的電阻存儲器件及相應(yīng)的存儲操作方法，可以實 現(xiàn)高讀取速度的應(yīng)用，并可防止存儲操作時產(chǎn)生對選中單元的誤讀操作。
本發(fā)明提出的電阻存儲器件，以硫系半導(dǎo)體化合物作為存儲電阻，包括數(shù)條字線，數(shù) 條位線，以及數(shù)個存儲單元，由兩個相變存儲單元和兩個選通三極管來構(gòu)成一個存儲單元， 存儲一位的數(shù)據(jù)。兩個相變存儲單元和兩個選通三極管共用同一條字線，而與不同的位線 相連。
本發(fā)明所述的硫系半導(dǎo)體化合物可以是Ge2Sb2Tes、 GeiSbJe7、 GeiSb2Te4和Ge^b/Te"
對于以上存儲介質(zhì)材料，由于制備工藝以及性能需求，在化學(xué)計量比上會有所變化，這不 應(yīng)視作對本發(fā)明的限制。


圖l(a)是傳統(tǒng)的相變存儲單元結(jié)構(gòu)
圖l(b)是相變存儲單元操作電流電壓圖
圖2(a)是傳統(tǒng)的相變存儲單元結(jié)構(gòu)讀操作原理圖
圖2(b)是相變單元高阻放電曲線，低阻放電曲線與參考電阻的放電曲線的比較圖
圖3是本發(fā)明提出的2B2R存儲單元結(jié)構(gòu)圖
圖4(a)是本發(fā)明提出的2B2R存儲單元結(jié)構(gòu)讀操作原理圖
圖4(b)是本發(fā)明提出的2B2R存儲單元結(jié)構(gòu)寫操作原理圖
圖5是本發(fā)明提出的2B2R存儲單元結(jié)構(gòu)操作流程圖
圖6是本發(fā)明提出的2B2R存儲單元結(jié)構(gòu)讀操作放電曲線的比較圖
圖7是本發(fā)明提出的2B2R存儲單元結(jié)構(gòu)陣列 圖中標號
100是傳統(tǒng)的相變存儲單元結(jié)構(gòu)，101是相變存儲電阻，102是字線，103是位線，111 是相變存儲器reset脈沖，112是相變存儲器set脈沖，200是傳統(tǒng)的相變存儲單元結(jié)構(gòu)讀操 作原理圖，201是相變存儲電阻，202是字線，203是位線，204是參考電阻，205是預(yù)充 電電路，206是讀出放大器，207是數(shù)據(jù)輸出。211是相變單元高阻放電曲線，212是參考 電阻放電曲線，213是相變單元低阻放電曲線，214是讀出放大器的靈敏范圍。301-304是 相變存儲電阻，305-308是選通二極管，310， 311是字線，312， 313是位線。401-404是 相變存儲電阻，405-408是選通二極管，410， 411是字線，412， 413是位線，420是預(yù)充 電電路，421是讀出放大器，422是數(shù)據(jù)輸出。431-434是相變存儲電阻，435-438是選通 二極管，440， 441是字線，442， 443是位線，450， 451是置位電流，452是復(fù)位電流與 置位電流之差。501-508是2B2R存儲單元結(jié)構(gòu)操作流程。601是相變單元高阻放電曲線， 602是參考電阻放電曲線，603是相變單元低阻放電曲線，604是讀出放大器的靈敏范圍。 B01-B32是選通二極管，701-732是相變存儲電阻，733是預(yù)充電電路，734是寫驅(qū)動電路， 735是數(shù)據(jù)輸入，736是地址輸入，737是列譯碼器，738是行譯碼器，739是地址輸入， 740是讀出放大器，741是數(shù)據(jù)輸出，742是列多路選擇器。
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)明涉及一種高讀取速度、高密度、低操作干擾的電阻存儲器件及相應(yīng)的存儲操作 方法。附圖l(a)和圖l(b)在發(fā)明技術(shù)背景中進行了解釋。圖3示出了本發(fā)明提出的2B2R存儲單元結(jié)構(gòu)，圖中示出了兩對存儲單元，包括字線 310， 311，位線312， 313，選通二極管305-308，相變存儲電阻301-304，其中，301和302 構(gòu)成一對存儲單元，303和304構(gòu)成另一對存儲單元，分別存儲一位的數(shù)據(jù)。存儲一位數(shù) 據(jù)的兩個相變存儲單元分為主存儲單元及其互補單元，這兩個單元的狀態(tài)為相反的，也就 是說一個為高阻， 一個為低阻。當(dāng)主存儲單元為高阻，互補單元為低阻時，代表存儲數(shù)據(jù) "0";當(dāng)主存儲單元為低阻，互補單元為高阻時，代表存儲數(shù)據(jù)"l"。圖4(a)是本發(fā)明提出的2B2R存儲單元結(jié)構(gòu)讀操作原理圖，420為預(yù)充電電路，421為讀出放大器，422為數(shù)據(jù)輸出。讀操作時，預(yù)充電電路先將位線BL及其互補線豆預(yù)充電到一個相同的電平，再將BL和豆進行放電，由于BL和豆上連接的電阻分別為高阻和 低阻，它們的放電速度也不同，這就導(dǎo)致了讀出放大器兩端的電平不同，當(dāng)BL上連接的 電阻為高阻，豆上連接的電阻為低阻時，讀出放大器輸出低電平，代表數(shù)據(jù)"0"，當(dāng)
BL上連接的電阻為低阻，豆上連接的電阻為高阻時，讀出放大器輸出高電平，代表數(shù)據(jù) "1"。圖4(b)是本發(fā)明提出的2B2R存儲單元結(jié)構(gòu)寫操作原理圖，450， 451是置位電流，452 是復(fù)位電流與置位電流之差。寫操作時，當(dāng)欲寫入數(shù)據(jù)DATA為"0"時，NMOS管M0導(dǎo)通，Ml關(guān)斷，BL上流過復(fù)位電流，豆上流過置位電流，主存儲單元被寫為高阻，即數(shù)據(jù)"0"，互補單元被寫為低阻，即數(shù)據(jù)"l";當(dāng)欲寫入數(shù)據(jù)DATA為"1"時，NMOS管M0關(guān)斷，Ml導(dǎo)通，BL上流過置位電流，豆上流過復(fù)位電流，主存儲單元被寫為低阻，即數(shù)據(jù)"1"，互補單元被寫為高阻，即數(shù)據(jù)"0"。圖5為本發(fā)明提出的2B2R存儲單元結(jié)構(gòu)操作流程。首先，地址輸入使字線及位線選 中，如操作流程501，然后就可以對本發(fā)明提出的2B2R存儲單元結(jié)構(gòu)中的存儲單元進行 正常的讀寫操作，如操作流程502。接下來的讀操作過程已經(jīng)在上文作出說明，如操作流 程503-508。圖6是本發(fā)明提出的2B2R存儲單元結(jié)構(gòu)讀操作放電曲線的比較圖.。601是相變單元 高阻放電曲線，602是傳統(tǒng)的相變存儲單元結(jié)構(gòu)中參考電阻放電曲線，603是相變單元低 阻放電曲線，604是讀出放大器的靈敏范圍。對于傳統(tǒng)的相變存儲單元結(jié)構(gòu)，預(yù)充電結(jié)束 后，在t2時刻讀出放大器的兩端電平差達到其靈敏范圍，而對于2B2R存儲單元結(jié)構(gòu)，在 tl時刻出放大器的兩端電平差達到其靈敏范圍，這樣，時間就節(jié)省了t2-tl，從而實現(xiàn)了高
讀取速度。
由于工藝的波動性，實際電路中存儲單元的高阻和低阻的阻值都不是一個確定的值，
而是在一定范圍內(nèi)波動的，這就使得讀操作中有誤讀的可能，比如說有些存儲單元低阻的
阻值高于參考電阻，讀操作時被誤讀為高阻，或者有些存儲單元高阻的阻值低于參考電阻，
讀操作時被誤讀為低阻。而采用2B2R存儲單元結(jié)構(gòu)就可以很好的改善這個問題，采用自
比較讀出方式，直接將高阻和低阻進行比較，而高阻的阻值低于低阻，或者低阻的阻值高
于高阻的可能性極小，這樣就很好的改善了誤讀的問題。
圖7為本發(fā)明提出的2B2R存儲單元結(jié)構(gòu)的陣列圖，其中BOl， B02……B32為選通三
極管，701-732為相變存儲電阻，738為行譯碼器，737為列譯碼器，739為行多路選擇器， 742為列多路選擇器，740為讀出放大器，741為數(shù)據(jù)輸出，733為預(yù)充電電路，734為寫 驅(qū)動電路，735為數(shù)據(jù)輸入。
下面以選中B03， B04，相變存儲電阻703和存儲電阻704組成的存儲單元為例說明 本發(fā)明提出的2B2R存儲單元結(jié)構(gòu)的操作方法。當(dāng)需要對存儲電阻寫"0"時，行譯碼器 738使B03的基極所連的字線WLO變?yōu)榈碗娖?，比?V，使其他字線WLl-WLn為高電 平，比如3.3V，列譯碼器737使位線BL和^Z選中，這樣陣列中只有B03和B04的EB 結(jié)正偏，這時候就可以通過預(yù)充電電路733、讀出放大器740或?qū)戲?qū)動電路734對存儲單 元703、 704進行讀寫操作。由于采用三極管而不是寬溝道的MOS管，因此2B2R存儲單 元結(jié)構(gòu)的陣列并不會造成面積的大量增加。
權(quán)利要求
1、一種高讀取速度、低操作干擾的相變電阻存儲單元結(jié)構(gòu)存儲器，其特征在于包括數(shù)條字線，數(shù)條位線，以及數(shù)個存儲單元，每個存儲單元位于一條字線與兩條位線的各個交叉區(qū)。每個存儲單元包括兩個相變存儲單元和兩個選通器件。兩個相變存儲單元通過各自的選通管的控制端與不同的位線相連，共用同一根字線。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高讀取速度、低操作干擾的相變電阻存儲單元結(jié)構(gòu)存儲器， 其特征在于所述的選通器件是雙極型晶體管。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高讀取速度、低操作干擾的相變電阻存儲單元結(jié)構(gòu)存儲器，對其操作方法的特征為寫0:在存儲單元中的主存儲單元所連接的位線上施加復(fù)位電平，將主存儲單元寫為高阻；在存儲單元中的互補存儲單元所連接的位線上施加置位電平，將互補存儲單元寫為低阻。寫1:在存儲單元中的主存儲單元所連接的位線上施加置位電平，將主存儲單元寫為 低阻；在存儲單元中的互補存儲單元所連接的位線上施加復(fù)位電平，將互補存儲單元寫為 高阻。讀存儲單元的兩條位線上先施加預(yù)充電電壓，再進行放電，根據(jù)兩條位線放電速度 的快慢由讀出放大器輸出結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種高讀取速度、低操作干擾的相變電阻存儲單元結(jié)構(gòu)存儲器及其存儲操作方法，其特征在于包括數(shù)條字線，數(shù)條位線，以及數(shù)個存儲單元，每個存儲單元位于一條字線與兩條位線的各個交叉區(qū)。每個存儲單元包括兩個相變存儲單元和兩個選通器件。兩個相變存儲單元通過各自的選通管的控制端與不同的位線相連，共用同一根字線。其優(yōu)點在于可以實現(xiàn)高讀取速度的應(yīng)用，并可防止存儲操作時產(chǎn)生對選中單元的誤讀操作。
文檔編號G11C16/02GK101339805SQ20081004093
公開日2009年1月7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)