專利名稱：：一種新型的高密度多值相變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)方案的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于集成電路
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種新型的高密度多值相變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)方案。
背景技術(shù)：
：存儲(chǔ)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(chǔ)器在整個(gè)存儲(chǔ)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)。目前，F(xiàn)lash大行其道的主要原因在于其存儲(chǔ)密度高(尤其是實(shí)現(xiàn)多值存儲(chǔ)后，Multilevel).工藝成熟，以致單位容量的制作成本低。然而Flash存在著抗疲勞特性不好，只能進(jìn)行"塊"寫/擦除操作，所需電壓高(甚至需要電荷泵或雙電源)等缺點(diǎn)。而且，F(xiàn)lash受制于自身的機(jī)帝U，如SILC(StressInducedLeakageCurrents)等的影響，其特征尺寸將很難縮小到45nm以下。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(chǔ)器。其中，相變存儲(chǔ)器由于其讀寫性能、抗疲勞特性(Endumnce)好，工藝簡單，成本低，與CMOS工藝兼容性好以及尺寸易于進(jìn)一步縮小等優(yōu)點(diǎn)脫穎而出，成為有望取代Flash的佼佼者。圖1是已被報(bào)道的相變材料的I一V特性曲線的示意圖W，由圖中可以看到相變材料具有兩個(gè)不同的穩(wěn)態(tài):一個(gè)是曲線101所示的晶態(tài)，SPSetState,具有較低的電阻；另一個(gè)是曲線102所示的非晶態(tài)，即ResetState,具有較高的電阻。而相變存儲(chǔ)器正是基于相變材料具有的這兩種不同的狀態(tài)來存儲(chǔ)0和1。圖2是相變材料的阻值和編程電流幅值的關(guān)系[1]。從圖中可以看出，盡管初始的狀態(tài)(201和202)有所不同，但一旦電流增大到一定值，相變材料的阻值立刻降到晶態(tài)電阻的水平(203)。很明顯，此時(shí)材料晶化了。不同初值的兩條曲線在此低阻范圍內(nèi)十分接近，說明晶化時(shí)材料的最終狀態(tài)與初態(tài)關(guān)系不大，主要取決于SET的電流脈沖。同樣，對于右側(cè)的曲線變化可以看到，在電流繼續(xù)增大的情況下，兩種狀態(tài)都有非晶化的趨勢而最終的狀態(tài)趨于一致都為高阻態(tài)(204)。這說明材料的非晶化，也和初態(tài)無關(guān)，而由RESET脈沖決定?？傊嘧儾牧暇哂兄苯泳帉懱匦?，最終的阻值和狀態(tài)與初始狀態(tài)無關(guān)，只由施加的激勵(lì)脈沖決定。圖3是一個(gè)傳統(tǒng)的1T1R結(jié)構(gòu)(即存儲(chǔ)單元由一個(gè)晶體管(1T)和一個(gè)相變材料(1R)構(gòu)成)的存儲(chǔ)單元和存儲(chǔ)陣列的示意圖P]?？梢钥吹剑總€(gè)存儲(chǔ)單元(301)都是由一個(gè)相變材料(302)和一個(gè)PNP的三極管(303)構(gòu)成的。而許多個(gè)存儲(chǔ)單元有序地排列便組成了一個(gè)相變存儲(chǔ)陣列。對相變存儲(chǔ)陣列進(jìn)行讀寫時(shí)，先通過譯碼器選中相應(yīng)的存儲(chǔ)單元，然后在位線上加相應(yīng)的電流來實(shí)現(xiàn)。近幾年來根據(jù)不同的應(yīng)用場合，相變存儲(chǔ)器的發(fā)展趨勢分為高密度和高可靠性兩個(gè)方向。高密度的相變存儲(chǔ)器的重點(diǎn)在于在一定的面積內(nèi)盡可能實(shí)現(xiàn)更多的存儲(chǔ)容量(bit)。然而由于相變存儲(chǔ)器的寫操作電流比較大，尤其是Reset電流，限制了晶體管的尺寸的縮小。為了實(shí)現(xiàn)相同的存儲(chǔ)陣列來存儲(chǔ)更多的狀態(tài)，多態(tài)存儲(chǔ)的技術(shù)也被運(yùn)用在了相變存儲(chǔ)器上[3]。多值存儲(chǔ)的原理將相變電阻編寫為多種介于完全非晶態(tài)和完全多晶態(tài)之間的狀態(tài)，且這些狀態(tài)下的阻值同樣也介于完全非晶態(tài)的高阻值和完全多晶態(tài)的低阻值之間。比如將相變電阻編寫為4個(gè)不同的值，那在讀的時(shí)候就會(huì)在這個(gè)存儲(chǔ)單元上獲得4個(gè)不同大小的電流，用這4個(gè)大小不同的電流分別代表00,01，10,11就可以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)存儲(chǔ)單元上存2位數(shù)據(jù)。多值存儲(chǔ)技術(shù)不失為高密度存儲(chǔ)的一個(gè)可行方案。但在小特征尺寸和大尺寸晶圓的情況下，工藝波動(dòng)的影響會(huì)越來越大，由此導(dǎo)致GST等相變材料的非晶態(tài)的高阻值和晶態(tài)的低阻值的阻值分布范圍越來越發(fā)散[4]。這體現(xiàn)為高低阻值狀態(tài)之間的差距下降，更不用說多值存儲(chǔ)了，這種不同狀態(tài)間的窗口的縮小，對讀出放大器的參考電流源的設(shè)計(jì)提出了很高的要求。因此，出于高可靠性的要求的一個(gè)典型的解決方案就是基于2T2R的相變存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)[5]，用于取代傳統(tǒng)的1T1R結(jié)構(gòu)以提高抗干擾(如工藝波動(dòng))的能力。具體電路如圖4所示。圖中，虛線圈401內(nèi)為一個(gè)2T2R的存儲(chǔ)單元。單元內(nèi)的2個(gè)相變電阻PCR處于相反的狀態(tài)，即一個(gè)為高阻的非晶態(tài)則另一個(gè)一定處于低阻的多晶態(tài)。由于兩個(gè)PCR位于同一單元，在位置上臨近，它們將受到近乎相同的外界干擾并發(fā)生基本相同的偏移。這種同向的變化加在差分輸出的讀出放大器(S/A)上，對輸出幾乎無任何影響，因而保證了電路的可靠工作。由此可見，2T2R實(shí)質(zhì)上是2個(gè)1T1R共同(互補(bǔ)的)存儲(chǔ)1位2進(jìn)制信息，雙位線差分輸出信息到靈敏放大器，因而無需外加參考源電路。然而，盡管經(jīng)過多年的探索，相變存儲(chǔ)器已發(fā)展出了多種不同的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，但沒有一種可以兼顧高密度和高可靠性的要求，原因在于高存儲(chǔ)密度(多值存儲(chǔ))和高可靠性(2T2R互補(bǔ)結(jié)構(gòu))兩者之間存在一定的矛盾。因?yàn)槎嘀荡鎯?chǔ)意味著二元思維下"非此即彼"的思想不再成立，2T2R結(jié)構(gòu)內(nèi)的2個(gè)相變電阻也不再可能始終實(shí)現(xiàn)所謂"互補(bǔ)"存儲(chǔ)信息。為提高抗干擾能力、應(yīng)對不同狀態(tài)的阻值范圍可能的交疊而不使用外加參考源的、直接將雙位線輸出送至靈敏放大器比較的想法，在相變電阻具有多于2種阻值的現(xiàn)實(shí)下將難以實(shí)現(xiàn)。此時(shí)，2T2R中的2個(gè)相變電阻分別在多值中選取，情況多種多樣；而靈敏放大器的比較結(jié)果仍然是二元的"0"或"1"。要解決這一矛盾，同時(shí)獲得高存儲(chǔ)密度和小尺寸下高的可靠性，需要引入新的因素。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提出一種操作多值相變存儲(chǔ)器的方法，其特征為以比值為導(dǎo)向來定義不同的狀態(tài)，即采用一個(gè)單元中一條位線上的存儲(chǔ)材料的電阻值與其互補(bǔ)位線的電阻值的比值的不同來區(qū)分不同的存儲(chǔ)狀態(tài)。本發(fā)明提出的相變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元包含兩個(gè)選通管和兩個(gè)相變存儲(chǔ)電阻，其中選通管為雙極型晶體管。本發(fā)明提出的多值相變存儲(chǔ)器中，每個(gè)存儲(chǔ)單元中的兩個(gè)相變材料都可以編程為不同的阻值狀態(tài)，利用這兩個(gè)相變材料阻值之比的不同來區(qū)分這個(gè)單元作代表的多值狀態(tài)。本發(fā)明提出的相變存儲(chǔ)器包括兩個(gè)寫驅(qū)動(dòng)電路，對應(yīng)著為奇數(shù)條位線和偶數(shù)條位線提供編程電流，其中奇數(shù)條位線與偶數(shù)條位線互補(bǔ)。本發(fā)明提出的相變存儲(chǔ)包括一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)7種不同比較的讀出放大器。本發(fā)明提出一種多值相變存儲(chǔ)器進(jìn)行寫操作的方法先將一個(gè)存儲(chǔ)單元內(nèi)的兩個(gè)相變存儲(chǔ)電阻都編程為非晶化的最高阻狀態(tài)，再根據(jù)需要在該單元內(nèi)存入的具體的值來對兩個(gè)相變存儲(chǔ)電阻分別進(jìn)行晶化操作至需要的狀態(tài)。本發(fā)明提出一種多值相變存儲(chǔ)器進(jìn)行讀操作的方法將需要進(jìn)行讀操作的存儲(chǔ)單元內(nèi)的兩個(gè)相變存儲(chǔ)電阻上的電流分別接至讀出放大器的兩端，將一個(gè)電流值與另一個(gè)電流值的特定倍數(shù)進(jìn)行比較，來確定該單元的存儲(chǔ)狀態(tài)。圖1是已被報(bào)道的相變存儲(chǔ)電阻的I-V特性曲線。圖2是相變材料的電阻值與編寫電流幅值的關(guān)系(R-I特性)。圖3是傳統(tǒng)1T1R結(jié)構(gòu)的相變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元及存儲(chǔ)陣列示意圖。圖4是傳統(tǒng)2T2R存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是相變電阻的4態(tài)阻值分布示意圖。圖6是8態(tài)存儲(chǔ)下，8種狀態(tài)對應(yīng)的阻值比的分布情況。圖7是編寫和擦除時(shí)的4態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系。圖8是采用本發(fā)明所提出的"以比值為導(dǎo)向"的一個(gè)相變存儲(chǔ)器的具體結(jié)構(gòu)。圖9是可實(shí)現(xiàn)7種不同比較的靈敏放大器。表1是8態(tài)存儲(chǔ)時(shí)，每種狀態(tài)下的各種比較及輸出結(jié)果圖中標(biāo)號(hào)100是已被報(bào)道的相變存儲(chǔ)電阻的I-V特性曲線，101表示阻值較低的晶態(tài)，102表示阻止較高的非晶態(tài)，200是相變材料的電阻值與編寫電流幅值的關(guān)系(R-I特性)，201表示初始狀態(tài)為非晶態(tài)，202表示初始狀態(tài)為晶態(tài)，203表示即使初始狀態(tài)不同，在一定幅度的電流作用下晶態(tài)和非晶態(tài)都轉(zhuǎn)化為晶態(tài)，204表示即使初始狀態(tài)不同，在較大幅度的電流作用下晶態(tài)和非晶態(tài)都轉(zhuǎn)化為非晶態(tài)，300表示傳統(tǒng)1T1R結(jié)構(gòu)的相變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元及存儲(chǔ)陣列，301表示一個(gè)1T1R的存儲(chǔ)單元，302表示作為選通管的雙極型晶體管，303表示作為存儲(chǔ)狀態(tài)的相變存儲(chǔ)電阻，400表示傳統(tǒng)2T2R存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，401是由兩個(gè)MOS選通管和兩個(gè)相變存儲(chǔ)電阻構(gòu)成的1個(gè)2T2R基本存儲(chǔ)單元，500是、表示相變電阻的4態(tài)阻值分布，501-504指從晶態(tài)至非晶態(tài)之間4個(gè)不同的電阻狀態(tài)，600表示8態(tài)存儲(chǔ)下，8種狀態(tài)對應(yīng)的阻值比的分布情況，601-608值、指4個(gè)不同的電阻狀態(tài)互相之間的比值從小到大排列所得的8個(gè)不同的電阻比值分布，700表示編寫和擦除時(shí)的4態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系，701-704代表從非晶態(tài)到晶態(tài)之間4個(gè)不同的電阻狀態(tài)，800表示采用本發(fā)明所提出的"以比值為導(dǎo)向"的一個(gè)相變存儲(chǔ)器的具體結(jié)構(gòu)，801指一個(gè)2T2R所構(gòu)成的基本存儲(chǔ)單元，802指兩條互補(bǔ)的位線的列選通管在同一信號(hào)控制下，803指所有的奇數(shù)條位線都連在一起，804指所有的偶數(shù)條位線都連在一起，805-806代表兩個(gè)寫驅(qū)動(dòng)，807代表讀出放大器，808代表控制讀寫模式的工作模式控制信號(hào)，811-828代表充當(dāng)選通管的PNP型雙極型晶體管，831-848代表相變存儲(chǔ)電阻，850代表行譯碼器，851代表列譯碼器，860-865代表列選通管，900代表可實(shí)現(xiàn)7種不同比較的靈敏放大器。具體實(shí)施例方式在下文中結(jié)合圖示在參考實(shí)施例中更完全地描述本發(fā)明，本發(fā)明提供優(yōu)選實(shí)施例，但不應(yīng)該被認(rèn)為僅限于在此闡述的實(shí)施例。相反，提供這些實(shí)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(shí)施例的示意圖，本發(fā)明所示的實(shí)施例不應(yīng)該被認(rèn)為僅限于圖中所示的區(qū)域的特定形狀。本發(fā)明涉及以相變材料作為存儲(chǔ)介質(zhì)并且采用2T2R的結(jié)構(gòu)以及以比值為導(dǎo)向的狀態(tài)的轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器及其存儲(chǔ)操作方法。附圖(14)在發(fā)明技術(shù)背景中進(jìn)行了解釋。由技術(shù)背景中的分析可知，相變電阻阻值的多樣性和比較結(jié)果的二元性之間存在矛盾。要實(shí)現(xiàn)多值存儲(chǔ)，比較結(jié)果必須同樣具有多樣性。而且，在實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的同時(shí)，還不能使用傳統(tǒng)意義上的參考源，即2個(gè)相變電阻只能互相比較(而不能和標(biāo)準(zhǔn)的第3者比較)以實(shí)現(xiàn)變各種干擾的影響為"共模噪聲"的目的("共模噪聲"經(jīng)由差分比較的靈敏放大器而"自然"消除)。在以上考慮的基礎(chǔ)上，為解決類似2T2R的結(jié)構(gòu)下高可靠性與多態(tài)存儲(chǔ)、存儲(chǔ)狀態(tài)多樣性與比較結(jié)果二元性的矛盾，本發(fā)明提出了一種全新的狀態(tài)定義理念——就是以比值(而非絕對值)為導(dǎo)向的狀態(tài)定義方法。對于2T2R的相變存儲(chǔ)單元，"以比值為導(dǎo)向"意味著存儲(chǔ)單元中2個(gè)相變電阻的比值大小是定義和區(qū)分不同存儲(chǔ)狀態(tài)的唯一依據(jù)。即不同的存儲(chǔ)狀態(tài)，對應(yīng)不同的2相變電阻阻值比，反之亦然。這里需要說明的是，2個(gè)相變電阻在形成"阻值比"時(shí)，固定位置上的相變電阻值固定充當(dāng)該"阻值比"的分子或分母。例如，2T2R雙位線輸出時(shí)，單元內(nèi)連接奇數(shù)號(hào)位線的相變電阻，其阻值固定的充當(dāng)"阻值比"的分子，而連接偶數(shù)號(hào)位線的相變電阻阻值則固定的充當(dāng)"分母"(反之亦然)。下面以4態(tài)可編寫的相變電阻為例，具體闡述本發(fā)明中利用2T2R結(jié)構(gòu)和"以比值為導(dǎo)向"的狀態(tài)定義方法實(shí)現(xiàn)單元8態(tài)存儲(chǔ)(即1個(gè)2T2R的存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)3位二進(jìn)制數(shù)據(jù))的方法。對于具有4種不同狀態(tài)的相變電阻，其每種狀態(tài)都對應(yīng)不同的阻值范圍，如圖5所示。記相變電阻的4種狀態(tài)為R1、R2、R3、R4。根據(jù)以比值為導(dǎo)向的狀態(tài)定義方法，構(gòu)成"阻值比"的分子和分母可以在R1R4中任意選擇，前提是這些"阻值比"的分布范圍不發(fā)生重疊即可，當(dāng)然這和R1R4本身的阻值范圍有關(guān)。根據(jù)乘法原理可知，不同分布范圍的"阻值比"，其數(shù)目小于16。因此下面以單元內(nèi)8態(tài)存儲(chǔ)為例，即1個(gè)2T2R結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)3位二進(jìn)制數(shù)。而相應(yīng)的8種狀態(tài)對應(yīng)的不同"阻值比"，這里取為R1/R4、R2/R4、Rl/R3、Rl/R2、R2/R1、R3/R1、R4/R2、R4/R1(當(dāng)然，要合理設(shè)定R1R4的阻值分布范圍，使得以上各種"阻值比"的分布范圍不交疊)，如圖6所示。"以比值為導(dǎo)向"的狀態(tài)定義方法，明確規(guī)定存儲(chǔ)單元中2個(gè)相變電阻的比值大小是定義和區(qū)分不同存儲(chǔ)狀態(tài)的唯一依據(jù)。所謂的"大小"，是一個(gè)相對概念。在這里，反映為某種"阻值比"(如Rl/R2)的分布范圍與設(shè)定的各種"邊界數(shù)"的大小關(guān)系，如圖6所示。這里的"邊界數(shù)"，是可以預(yù)先設(shè)定的。它們的大小設(shè)定，是通過設(shè)定輸出端靈敏放大器中相關(guān)MOS管的寬長比之比而確定的，具有靈活可調(diào)的特點(diǎn)，可以根據(jù)相變材料和相變電阻的特性而隨之改變。圖6描述的是各種狀態(tài)的"阻值比"范圍在衡量"阻值比"大小的"一維比值空間"中的分布情況?？梢?，在實(shí)現(xiàn)8態(tài)存儲(chǔ)時(shí)，"邊界數(shù)"共有7個(gè)，即1/c、1/b、1/a、1、a、b、c。這其中的對稱性是由比例本身的對稱性所決定的。a、b、c為靈敏放大器中的可調(diào)參數(shù)，而非外加參考源(后面會(huì)具體分析)。將8種狀態(tài)對應(yīng)的"阻值比"與各個(gè)邊界數(shù)進(jìn)行比較，則比較的結(jié)果將唯一的確定各種"阻值比"在"一維比值空間"中的具體位置。這意味著可以唯一的確定存儲(chǔ)單元中的信息內(nèi)容，并加以讀出。但在實(shí)際的電路操作中，"阻值比"一般不直接讀出，而是通過相同電壓激勵(lì)下的電流比反映出來(從原則上講，相同電流激勵(lì)下的電壓比也可以反映這一點(diǎn))。此時(shí)的電流比即為阻值比的倒數(shù)，而8種狀態(tài)的電流比與各個(gè)邊界數(shù)的比較以及狀態(tài)的確定，其具體對應(yīng)關(guān)系如表1所示"I奇"即為選中的2T2R單元內(nèi),連接奇數(shù)號(hào)位線(BL)的相變電阻上通過的電流；"I偶"即為選中的2T2R單元內(nèi)，連接偶數(shù)號(hào)位線(/BL)的相變電阻上通過的電流。在相同的電壓激勵(lì)下，這2股電流之比即為電阻阻值比的倒數(shù)。對于反映電流比和邊界數(shù)相對大小的比較結(jié)果(A0A6)，""之前的電流大于""之后的電流，則比較結(jié)果記為"1"，反之，則記為"0"。如對于I奇/I偶為IR4/IR2的情況，A2的比較中，由于比較的前者(I偶，艮PlR2)大于比較的后者(即a倍的IR4)，則A2為1。顯而易見，每種狀態(tài)下的電流比與7個(gè)邊界數(shù)的比較結(jié)果，將唯一的確定其存儲(chǔ)狀態(tài)，由此實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的讀出區(qū)分。由于2T2R單元中實(shí)現(xiàn)8態(tài)存儲(chǔ)時(shí)，每個(gè)相變電阻具有4種不同的狀態(tài)，因此直接編寫是不可能的。多態(tài)下的編寫與Flash的情況類似，首先進(jìn)行非晶化(RESET)的擦除，保證相變電阻從原先各種可能的狀態(tài)(R1R4)轉(zhuǎn)變?yōu)樽柚底罡叩姆蔷B(tài)(R4)。然后，施加一定幅度的晶化脈沖并通過控制該類脈沖的數(shù)目，最終達(dá)到將相變電阻寫為多種狀態(tài)的目的，如圖7所示。圖8給出了一個(gè)采用本發(fā)明所提出的"以比值為導(dǎo)向"的一個(gè)2T2R相變存儲(chǔ)器的具體結(jié)構(gòu)。由圖中可以看到，一個(gè)基本的存儲(chǔ)單元801是由兩個(gè)PNP三極管以及兩個(gè)相變材料構(gòu)成的。而這一組2T2R則是以兩個(gè)1T1R的形式分布在兩條不同的位線BL和/BL上。值得一提的是，這里的2T2R中的T采用的是PNP型的三極管而不是背景介紹中傳統(tǒng)2T2R中采用的MOS管，原因在于在相同的驅(qū)動(dòng)電流能力的要求下，PNP型三極管更省面積。由于無論在讀操作還是寫操作時(shí)，每組2T2R中的兩個(gè)1T1R都是同時(shí)選中的，因此它們的列選通管是處在同一控制信號(hào)下的(802)。另外，所有的BL都連在一起(803)，最后連往讀出放大器(807)的一端以及寫驅(qū)動(dòng)1(805);同樣地所有的/BL也都連在一起(804)，最后連往讀出放大器的另一端以及寫驅(qū)動(dòng)2(806)。而何時(shí)通過讀出放大器進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀出、何時(shí)通過寫驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入則由工作模式信號(hào)808來控制。圖8所示的相變存儲(chǔ)器的具體工作方式如下以將選中單元編寫為R4/R2(R4連接BL，R2連接/BL)為例。首先通過譯碼器選中該單元(對應(yīng)的行選通管上加低電平，列選通管上加高電平)，然后通過工作模式信號(hào)(808)控制寫驅(qū)動(dòng)1(805)和寫驅(qū)動(dòng)2(806)在BL和/BL上加電流。具體說來，首先對BL和/BL同時(shí)進(jìn)行擦除操作開始。經(jīng)過Erase操作，單元內(nèi)的2個(gè)相變電阻全部轉(zhuǎn)變?yōu)樽柚底罡叩姆蔷顟B(tài)，對應(yīng)電阻范圍為R4。然后，開始進(jìn)行一步步的晶化操作，以實(shí)現(xiàn)相變電阻向其他狀態(tài)(R1R3)的轉(zhuǎn)換。即通過寫驅(qū)動(dòng)2單獨(dú)對/BL加適當(dāng)?shù)碾娏魇蛊渲饾u晶化，從R4變?yōu)镽3，再變?yōu)镽2。至此，寫操作就完成了。在讀的時(shí)候，同樣先通過譯碼器選中要進(jìn)行讀操作的單元，然后通過工作模式信號(hào)(808)控制讀出放大器對BL和/BL上的電流進(jìn)行比較。這里的關(guān)鍵是讀出放大器的設(shè)計(jì)，因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)7種不同的比較(即與7比值的邊界進(jìn)行比較，如圖6)。一種可行的讀出放大器的方案如圖9所示。它采用二分法串行讀出的辦法，分3步讀出每個(gè)存儲(chǔ)單元中所存的3位2進(jìn)制數(shù)(艮口8態(tài)信息)。而要實(shí)現(xiàn)"IBL/I/BL"(即圖中的VI2)與7種不同邊界數(shù)的比較，關(guān)鍵在于根據(jù)已進(jìn)行的比較得出的結(jié)果控制XI、X2、X3、C、D這些信號(hào)'將M3和M4、M5和M7和M8相應(yīng)的"并聯(lián)"到Ml和M2或者M(jìn)9和M10的兩側(cè)，使得靈敏放大器具有比較11/12與特定倍數(shù)(即邊界數(shù))的能力。其中，M3和M4的寬長比分別為Ml和M2的(b-a)倍，M5和M6的寬長比分別為Ml和M2的(a-l)倍,而M7和M8的寬長比分別為Ml和M2的(c-b)倍。這里的a、b、c即為圖6所述的"邊界數(shù)"。而M9和M10分別與M1和M2完全相同。顯然采用串行讀出相對并行來說速度上會(huì)慢，但這種速度上的犧牲，從總體上考慮是值得的。分布讀出模式在相同的讀出頻率下與傳統(tǒng)的雙態(tài)存儲(chǔ)模式速度是相同的，都是一個(gè)讀時(shí)鐘周期讀出1位2進(jìn)制數(shù)據(jù)。區(qū)別僅在于傳統(tǒng)方法讀出lbit后，單元內(nèi)的信息即被讀取完；而此處的8態(tài)存儲(chǔ)下，讀出lbit后，單元內(nèi)信息還需另2個(gè)時(shí)鐘周期才能讀取完而已(每次比較的結(jié)果產(chǎn)生下一次比較的控制信號(hào)所需的時(shí)間此處略)。但總體而言，考慮到影響速度最大的晶化操作并未改變，讀出速度上的犧牲總體看來微乎其微。與此同時(shí)，外圍電路則大大簡化了原先7個(gè)靈敏放大器和所需的電流驅(qū)動(dòng)電路，采用二分法串行模式，只需1個(gè)可編程的靈敏放大器和少許控制電路即可。這對于布局布線和提高存儲(chǔ)密度無疑是非常有利的。采用"以比值為導(dǎo)向"的存儲(chǔ)方式具備很多優(yōu)點(diǎn)。首先由于工藝波動(dòng)所帶來的相變材料阻值漂移的絕對誤差在進(jìn)行比值操作之后會(huì)減小很多。而且除了"邊界數(shù)"的設(shè)定是通過調(diào)節(jié)靈敏放大器中相關(guān)管子的寬長比之比(無需使用外加參考源)外，隨著"比例分子"和"比例分母"的多樣化(這里即為2個(gè)充當(dāng)"分子"和"分母"的相變電阻具備多值編寫能力)，"比例"本身將更加多樣化。對于具有n種狀態(tài)的相變電阻，2個(gè)該元件的比值就可能具有x種狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)x態(tài)存儲(chǔ)。這里，x為不大于n、n+l的、最大的、2的整數(shù)冪。n=4,則x=8;n=5，則x=16。可見，隨著人們對相變電阻特性掌控的深入，相變電阻可實(shí)現(xiàn)的不同阻值狀態(tài)數(shù)目越多，每種狀態(tài)下相變電阻的阻值分布控制得越緊湊，"以比值為導(dǎo)向"的存儲(chǔ)方式與傳統(tǒng)的多態(tài)存儲(chǔ)方式相比，前者獲得的優(yōu)勢更大。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>參考文獻(xiàn)DavidAdleretal."Themechanismofthresholdswitchinginamorphousalloys",ReviewsofModernPhysics,Vol.50,No.2，April1978.[2]M.Gilletal."Ovonicunifiedmemory—ahigh-performancenonvolatilememorytechnologyforstand-alonememoryandembeddedapplications",DigestofTechnicalPapers.ISSCC.2002，3-7Feb.2002Page(s):202-459vol.1AMulti-Level-CellBipolar-SelectedPhase-ChangeMemoryISSCC2008/SESSION23/NON-VOLATILEMEMORY/23.5[4]Y.N.Hwangjetal.，"^^ritingcurrentreductionforhigh-densityphasechangePRAM",IEDMTech.Dig,pp.893-896，2003.Y.N.Hwangetal."FullIntegrationandReliabilityEvaluationofPhase-changeRAMBasedon0.24um-CMOSTechnologies",Symp.VLSITechnologyDig.Tech.Papers,June2003.權(quán)利要求1、一種操作多值相變存儲(chǔ)器的方法，其特征為以比值為導(dǎo)向來定義不同的狀態(tài)，即采用一個(gè)存儲(chǔ)單元中一條位線上的相變存儲(chǔ)電阻的阻值與其互補(bǔ)位線的阻值的比值的不同來區(qū)分不同的存儲(chǔ)狀態(tài)。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變存儲(chǔ)器，其特征在于每個(gè)存儲(chǔ)單元包含兩個(gè)選通管和兩個(gè)相變存儲(chǔ)電阻，其中選通管為雙極型晶體管。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的多值相變存儲(chǔ)器，其特征在于每個(gè)存儲(chǔ)單元中的兩個(gè)相變存儲(chǔ)電阻都可以編程為不同的阻值狀態(tài)，利用這兩個(gè)相變存儲(chǔ)電阻阻值之比的不同來區(qū)分這個(gè)存儲(chǔ)單元所代表的多值狀態(tài)。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變存儲(chǔ)器，其特征在于有兩個(gè)寫驅(qū)動(dòng)電路，對應(yīng)著為奇數(shù)條位線和偶數(shù)條位線提供編程電流，其中奇數(shù)條位線與偶數(shù)條位線互補(bǔ)。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變存儲(chǔ)器，其特征在于包括一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)7種不同比較的讀出放大器。6、一種對權(quán)利要求1所述的多值相變存儲(chǔ)器進(jìn)行寫操作的方法先將一個(gè)存儲(chǔ)單元內(nèi)的兩個(gè)相變存儲(chǔ)電阻都編程為非晶化的最高阻狀態(tài)，再根據(jù)需要在該單元內(nèi)存入的具體的值來對兩個(gè)相變存儲(chǔ)電阻分別進(jìn)行晶化操作至需要的阻值。7、一種對權(quán)利要求1所述的多值相變存儲(chǔ)器進(jìn)行讀操作的方法將需要進(jìn)行讀操作的存儲(chǔ)單元內(nèi)的兩個(gè)相變存儲(chǔ)電阻上的電流分別接至讀出放大器的兩端，將一個(gè)電流值與另一個(gè)電流值的特定倍數(shù)進(jìn)行比較，來確定該單元的存儲(chǔ)狀態(tài)。全文摘要本發(fā)明屬于微電子
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種新型的高密度多值相變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)方案。具體針對相變存儲(chǔ)器中存在的、工藝波動(dòng)下的高可靠性存儲(chǔ)與高密度存儲(chǔ)之間的矛盾，提出了全新的“以比值為導(dǎo)向”的存儲(chǔ)狀態(tài)定義方法。以此方法為向?qū)?，在充分利用相變電阻自身提供的多值編寫能力的基礎(chǔ)上，繼承2T2R結(jié)構(gòu)的固有優(yōu)點(diǎn)，加上外圍靈敏放大器與邊界數(shù)設(shè)定的合理結(jié)合，成功的實(shí)現(xiàn)了小尺寸下，面臨嚴(yán)重的工藝波動(dòng)時(shí)，相變存儲(chǔ)器的高可靠性存儲(chǔ)與高密度存儲(chǔ)，提高了相變存儲(chǔ)器在未來小尺寸環(huán)境下的競爭力。文檔編號(hào)G11C16/02GK101359502SQ20081004093公開日2009年2月4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)