[發明專利]一種相變隨機存儲器

有效

• 申請號: 200810197658.0
• 申請日: 2008-11-17
• 公開（公告）號: CN101419836A
• 公開（公告）日: 2009-04-29
• 發明（設計）人: 繆向水;王嘉慧;韓武豪
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G11C16/02
• 分類號: G11C16/02;G11C11/56;G11C16/08;G11C16/26;G11C16/10
• 代理公司: 華中科技大學專利中心
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發明涉及一種非易失性半導體存儲器裝置，具體涉及一種相變隨機存儲器。

背景技術

相變隨機存儲器(PCRAM)是一種非易失性半導體存儲器，當電源供給中斷時仍然保存已存儲的數據。它利用了相變材料(例如GST225)能夠在晶態、非晶態之間發生可逆轉變的特性，用材料在這兩種穩定狀態下呈現的不同電阻值來區分存儲單元的邏輯值。

圖1示出了一個存儲元件10的結構圖，它包括上電極層11、絕緣層12、相變層13和下電極層14，其中相變材料用作根據所產生溫度而變化的可變電阻器，它響應于通過相變存儲元件的電流在相變電阻上所產生的焦耳熱。SET電流作用于相變材料，使其轉變為低阻晶態；RESET電流作用于相變材料，使其轉變為高阻非晶態。其相變層采用了T型結構，圓孔內區域為有效相變區。

圖2示出了相變存儲器件的一個存儲單元20的電路圖。存儲單元20包括串聯在位線BL和地之間的存儲元件21、選擇元件22。其中，元件21和22的位置可以互換。具體實施時，選擇元件可采用NMOS晶體管N1，其具有連接到字線WL的柵極。當向字線WL施加選通高電平時，N1導通，位線BL上的電流流經存儲元件11，對其進行讀寫操作。

圖3示出了常規相變存儲器件的另一存儲單元30的電路圖，存儲單元30包括串聯在位線BL和字線WL之間的存儲元件31、選擇元件32。具體實施時，可利用二極管作為選擇元件。PNP型雙極型晶體管基集連接字線WL，其發射結作為選擇二極管。當PNP管的發射結上正向電壓差超過其閾值電壓時，二極管導通，存儲元件31通過位線接收電流。

圖4示出了對存儲元件進行讀寫期間的電流及溫度特性圖。41表示RESET電流對相變材料溫度的影響，在短時間內提供高脈沖，相變材料加熱到其熔點T₂以上后快速淬火，其變為非晶態，存儲數據“0”。42表示SET電流對相變材料溫度的影響，在較長時間內提供中等脈沖，相變材料加熱到高于結晶溫度T₁、低于熔點T₂，其變為晶態，存儲數據“1”。43表示讀電流對相變材料溫度的影響，低脈沖作用于相變材料，需保證其溫度低于結晶溫度，不影響存儲位的狀態。

相變存儲器芯片組成類似于傳統半導體隨機存儲器，包括寫入單元、讀出單元、邏輯控制單元、地址譯碼器、輸入輸出緩沖、存儲陣列。

完全晶態和完全非晶態相變材料的電阻率差值高達幾個數量級，給讀出和測試造成極大困難，故寫入時要通過調節SET或RESET電流的幅值和脈寬來控制相變材料的晶化程度。兩態電阻差的最佳情況為一個數量級。

相變材料的晶化不是一個突變過程，故文中所提到的“晶態”和“非晶態”是一個相對概念，指兩種狀態的晶化程度不同，并不指完全的晶化和非晶化。寫入電流脈沖的幅值和持續時間的改變，或是所選用的相變材料的改變，都會造成“0”和“1”狀態的電阻值的較大變化。一種“0”、“1”值電阻范圍可調的讀出放大器可以廣泛運用于相變隨機存儲器中。

外圍電路的制造是基于集成電路的CMOS制造工藝，可以直接將電路數據送往foundry流片。而存儲元件的制造涉及一種新材料：相變材料，需要在外圍基礎增加若干步常規光刻、鍍膜工藝制成。一塊完整的相變隨機存儲器芯片要保證這兩步的有效結合。

實現外圍電路中的各個單元模塊及與其同時制造的存儲陣列的選擇元件、存儲陣列中的存儲元這兩者的有效結合，制造完整的相變隨機存儲器芯片，正確實現其存儲位的隨機選擇與正確讀寫，是一個有待進一步完善的新課題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種相變隨機存儲器，該存儲器能夠實現存儲單元的隨機選擇，以及電阻值和電平信號間的有效可逆轉換。

本發明提供的相變隨機存儲器，其特征在于：它包括存儲單元陣列、字線譯碼器、邏輯控制模塊、寫入模塊、讀出模塊和輸入輸出端口控制模塊；

邏輯控制模塊分別接收來自于外部提供的芯片選通信號和芯片讀寫信號，經電路轉換得到寫使能信號和讀使能信號，并將寫使能信號輸出至寫入模塊，將讀使能信號輸出至輸入輸出端口控制模塊；

字線譯碼器用于實現讀寫單元的選擇；它分別接收外部的芯片選通信號和字線地址，將字線地址進行譯碼處理，輸出字線選通信號至存儲單元陣列；

存儲單元陣列包括多個存儲單元，它根據字線選通信號確定選通的字線，該選通的字線上的8位存儲單元作為選中的寫單元或讀單元；