[發(fā)明專利]相變存儲器的數(shù)據(jù)讀出電路

有效

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• 申請日: 2011-06-07
• 公開（公告）號: CN102820056A
• 公開（公告）日: 2012-12-12
• 發(fā)明（設計）人: 李喜;陳后鵬;宋志棠;蔡道林
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
• 主分類號: G11C16/06
• 分類號: G11C16/06;G11C16/26
• 代理公司: 上海光華專利事務所 31219
• 代理人: 李儀萍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及相變存儲器，尤其涉及相變存儲器的數(shù)據(jù)讀出電路。

背景技術(shù)

相變存儲器(PC-RAM)是一種新型的阻變式非易失性半導體存儲器，它與目前已有的多種半導體存儲技術(shù)相比，具有低功耗，非揮發(fā)、高密度、抗輻照、非易失性、高速讀取、循環(huán)壽命長(＞10¹³次)、器件尺寸可縮性(納米級)，耐高低溫(-55℃至125℃)、抗振動、抗電子干擾和制造工藝簡單(能和現(xiàn)有的集成電路工藝相匹配)等優(yōu)點，是目前被工業(yè)界廣泛看好的下一代存儲器中最有力的競爭者，擁有廣闊的市場前景。

相變存儲器以硫系化合物材料為存儲介質(zhì)，利用電脈沖或光脈沖產(chǎn)生的焦耳熱使相變存儲材料在非晶態(tài)(材料呈高阻狀態(tài))與晶態(tài)(材料呈低阻狀態(tài))之間發(fā)生可逆相變而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入和擦除，數(shù)據(jù)的讀出則通過測量電阻的狀態(tài)來實現(xiàn)。

相變存儲器中存儲的數(shù)據(jù)(即相變單元的晶態(tài)或非晶態(tài))要通過數(shù)據(jù)讀出電路讀取，考慮到其呈現(xiàn)出來的直觀特性為低阻態(tài)或高阻態(tài)，因此，相變存儲器都是通過在讀使能信號及數(shù)據(jù)讀出電路的控制下，向相變存儲器的相變存儲單元輸入較小量值的電流或者電壓，然后測量相變存儲單元上的電壓值或電流值來實現(xiàn)的。

一般，數(shù)據(jù)讀出電路通過發(fā)送一個微小的電流值(電壓值)給相變存儲單元，此時讀取位線的電壓(電流)，如果位線電壓較高(電流較小)則表示相變單元為高阻態(tài)，即“1”；如果位線電壓較低(電流較大)則表示相變單元為低阻態(tài)，即“0”。然而，在讀的過程中，當有電流流過相變存儲單元時，相變存儲單元會產(chǎn)生焦耳熱，如果焦耳熱的功率大于相變存儲單元的散熱效率時，這種熱效應會影響相變存儲單元的基本狀態(tài)；同時，當相變存儲單元兩端的電壓差超過某一個閾值時，相變材料內(nèi)部載流子會發(fā)生擊穿效應，載流子突然增加，表現(xiàn)出低阻的特性，但此時的材料本身并沒有發(fā)生相變。上述兩個現(xiàn)象即所謂的讀破壞現(xiàn)象。

為了避免出現(xiàn)上述的讀破壞現(xiàn)象，數(shù)據(jù)讀出電路需要滿足以下要求：讀出電流(電壓)必須非常小，以便產(chǎn)生焦耳熱的功率不超過相變存儲單元的散熱效率；在容許的范圍內(nèi)選擇適當大的讀出電流(電壓)時，必須保證讀出速度非常快，以便使產(chǎn)生的焦耳熱還來不及使單元的基本狀態(tài)發(fā)生改變，而且，讀出電流(電壓)的最大值須小于相變單元的內(nèi)部載流子擊穿閾值，以防止相變材料內(nèi)部載流子發(fā)生擊穿效應。

對于理想情況下的相變存儲器，以上要求是可實現(xiàn)的。然而，在實際的相變存儲器中，由于位線上的寄生電容的存在，會導致在滿足上述要求的同時，使得讀出電流(電壓)的操作需要很長的時間。因為數(shù)據(jù)讀出電路需要等待讀出電流(電壓)給位線電容充完電以后才能正確的讀出相變存儲單元的狀態(tài)，這樣便極大地制約了相變存儲器的速度特性。

傳統(tǒng)的讀電流模式(即輸入電壓讀取相應電流)一般采取處于負反饋工作態(tài)時的運算放大器直接將箔位電壓強制加載到相變單元所在位線上，進而通過將箔位電流和參考電流進行比較的方式實現(xiàn)。然而，由于位線寄生電容的存在和位線電壓不能超過相變單元閾值電壓的限制，其讀取速度將受到嚴重制約。同時，對于高阻態(tài)的阻值和低阻態(tài)的阻值差值比較小時，所述數(shù)據(jù)讀出電路的讀出速度和所讀得數(shù)據(jù)的可靠性也將受到嚴重制約。

另外，由于位線上或者讀電路負載端的寄生電容的影響，在連續(xù)高速讀取過程中數(shù)據(jù)讀出電路負載端和位線上的殘留電荷會影響下一次讀取時的初始情況，從而產(chǎn)生數(shù)據(jù)串擾。

因此，如何改善上述讀出數(shù)據(jù)耗時太長、高低組分辨率較低、可能出現(xiàn)串擾的問題，以及如何提高相變存儲器的速度特性和數(shù)據(jù)可靠性，實已成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)課題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種相變存儲器的數(shù)據(jù)讀出電路，用于解決在現(xiàn)有技術(shù)中數(shù)據(jù)讀出電路中讀取速度較慢、讀出數(shù)據(jù)的可靠性較低或功耗較大的問題。

為解決上述及其他問題，本發(fā)明提供一種相變存儲器的數(shù)據(jù)讀出電路，所述存儲存儲器包括一個或多個相變存儲單元，每一個相變存儲單元通過位線和字線與控制電路連接；所述數(shù)據(jù)讀出數(shù)據(jù)包括：箔位電壓產(chǎn)生電路，用于產(chǎn)生箔位電壓；預充電電路，在所述箔位電壓的控制下對所述存儲單元的位線進行快速充電；箔位電流產(chǎn)生電路，在所述箔位電壓的控制下產(chǎn)生使所述位線維持在箔位平衡態(tài)時的箔位電流；箔位電流運算電路，將所述箔位電流進行求差和倍乘運算，增大高阻態(tài)時箔位電流和低阻態(tài)時箔位電流的差值；比較放大電路，將經(jīng)過所述箔位電流運算電路運算處理后的箔位電流與參考電流比較，輸出讀出結(jié)果。

可選地，所述數(shù)據(jù)讀出電路還包括在所述位線上串接的傳輸門，使得所述預充電電路和所述箔位電流產(chǎn)生電路經(jīng)由所述傳輸門與所述位線連接。