[發(fā)明專利]一次性可編程存儲(chǔ)器及其編程方法與讀取方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310729248.7
• 申請日: 2013-12-26
• 公開（公告）號: CN103646668A
• 公開（公告）日: 2014-03-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳后鵬;李喜;宋志棠
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
• 主分類號: G11C17/16
• 分類號: G11C17/16;G11C17/18
• 代理公司: 上海光華專利事務(wù)所 31219
• 代理人: 李儀萍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及非揮發(fā)性存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)及制造技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種由相變存儲(chǔ)單元組成的一次性可編程存儲(chǔ)器及其編程方法與讀取方法。

背景技術(shù)

一次性可編程存儲(chǔ)器（OTP）屬于非揮發(fā)性存儲(chǔ)器件，其即使被斷電也能保存信息。一次性可編程存儲(chǔ)器可以為電路提供靈活多樣和價(jià)格低廉的解決方案，因此在多種電路中得到了廣泛的應(yīng)用。目前有多種結(jié)構(gòu)及方法可以實(shí)現(xiàn)OTP功能，其中采用晶體管結(jié)構(gòu)的利用電壓耦合方式改變晶體管閾值電壓的OTP存儲(chǔ)器為主流OTP存儲(chǔ)器。由于基于浮柵結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)電荷的OTP存儲(chǔ)器如NAND閃存、NOR閃存正面制成技術(shù)節(jié)點(diǎn)微縮難題，有限的生命周期將成為其最大的缺點(diǎn)。

相變存儲(chǔ)器(Phase?Change?Memory,PCM，PCRAM)一般指的是基于某種硫系化合物薄膜的隨機(jī)存儲(chǔ)器。它是一種新型的非易失性存儲(chǔ)器，被認(rèn)為最有可能在不遠(yuǎn)的將來替代閃存（Flash）成為主流非易失性存儲(chǔ)器。這是由于其操作電壓低，讀取速度快，可以位操作，寫擦速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于閃存，而且疲勞特性更優(yōu)異，能夠?qū)崿F(xiàn)上億次的循環(huán)寫擦，制造工藝簡單且與現(xiàn)在成熟的CMOS工藝兼容，從而能夠很容易將其存儲(chǔ)單元縮小至較小的尺寸

相變材料寫操作(RESET)即是對器件單元施加一個(gè)幅度較高的電脈沖使得器件有效區(qū)域(active?area)的溫度全部升高至融化溫度，對GeSbTe材料（GST）而言，這一溫度約為600℃)以上，然后在較短時(shí)間內(nèi)撤除該脈沖，在這一淬火過程中處于熔融態(tài)的有效區(qū)域來不及結(jié)晶因而最終變成高阻的非晶態(tài)。擦操作(SET)需要施加一個(gè)時(shí)間較長的電脈沖，從而將器件有效區(qū)域升溫至結(jié)晶溫度（約200℃）之上融化溫度以下，并保持一段時(shí)間使器件有效區(qū)域形成晶態(tài)。通過以上的方法便可以使基于相變材料的器件單元的狀態(tài)發(fā)生可逆轉(zhuǎn)變，然而，相對于RESET操作，SET需要幅度和寬度都更加精確的脈沖來實(shí)現(xiàn)，事實(shí)上，相變存儲(chǔ)器各大廠商都提出了各種復(fù)雜的操作方法和校驗(yàn)方法來提高SET操作的成功率。

由于半導(dǎo)體器件在加工過程中會(huì)經(jīng)歷多次溫度介于200℃和600℃之間的工藝過程，因此，相變存儲(chǔ)單元在器件出廠時(shí)均處于結(jié)晶態(tài)（低阻態(tài)），如果器件在實(shí)際應(yīng)用中只需要實(shí)現(xiàn)RESET操作，則相變存儲(chǔ)單元可以通過簡單的外圍電路實(shí)現(xiàn)OTP的功能，相對于現(xiàn)有的OTP技術(shù)，基于相變單元的OTP則具有更快的速度，更小的單元面積等優(yōu)勢；而相對于現(xiàn)有的可逆操作相變存儲(chǔ)器技術(shù)，基于相變單元的OTP則具有操作簡單，容易實(shí)現(xiàn)，外圍電路占用面積小等優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種一次性可編程存儲(chǔ)器及其編程方法與讀取方法，能夠通過利用簡單的外圍電路實(shí)現(xiàn)對相變存儲(chǔ)單元的一次性非可逆操作，從而實(shí)現(xiàn)其一次性可編程性能，本發(fā)明可以最大限度地降低存儲(chǔ)器的占用面積，進(jìn)而降低其使用成本。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種一次性可編程存儲(chǔ)器，至少包括：

相變存儲(chǔ)單元，用于存儲(chǔ)需要寫入的數(shù)據(jù)；

寫入單元，用于將需要寫入的數(shù)據(jù)寫入到相變存儲(chǔ)單元中；

讀取單元，用于讀取存儲(chǔ)在相變存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)；

讀參考單元，用于提供讀取單元讀取數(shù)據(jù)時(shí)的比較對象；

偏置單元，用于在讀取單元讀取時(shí)向所述相變存儲(chǔ)單元提供鉗位電壓。

作為本發(fā)明的一次性可編程存儲(chǔ)器的一種優(yōu)選方案，所述的相變存儲(chǔ)單元包括一個(gè)相變單元及一個(gè)選通單元，所述相變單元的第一端與所述寫入單元及讀取單元連接，第二端通過所述選通單元接地。

進(jìn)一步地，所述相變單元由GeSbTe材料所形成，所述選通開關(guān)為NMOS管或二極管。

作為本發(fā)明的一次性可編程存儲(chǔ)器的一種優(yōu)選方案，所述寫入單元包括一個(gè)選通開關(guān)，所述選通開關(guān)連接于電源和相變存儲(chǔ)單元之間，并由編程信號控制導(dǎo)通或關(guān)斷。

作為本發(fā)明的一次性可編程存儲(chǔ)器的一種優(yōu)選方案，所述讀取單元包括一個(gè)PMOS管、一個(gè)鉗位NMOS管、一個(gè)讀選通開關(guān)及一個(gè)三態(tài)反相器，其中，所述PMOS管的源端與所述鉗位NMOS管的漏端、以及三態(tài)反相器的輸入端連接，漏端連接電源，所述鉗位NMOS管的源端通過所述讀選通開關(guān)連接到所述相變存儲(chǔ)單元，同時(shí)，所述讀選通開關(guān)及所述三態(tài)反相器均由讀使能信號控制導(dǎo)通或關(guān)斷。