專利名稱：一種新型存儲系統(tǒng)的制作方法
一種新型存儲系統(tǒng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微納電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種新型存儲系統(tǒng)。背景技術(shù)：
相變存儲器技術(shù)是基于0vshinsky在20世紀(jì)60年代末(Phys. Rev. Lett. ， 21, 1450-1453: 1968)70年代初(App1. Phys. Lett., 18， 254~257， 1971)提出的相變薄膜可以應(yīng)用于相變存 儲介質(zhì)的構(gòu)想建立起來的，是一種價格便宜、性能穩(wěn)定的存儲器件。相變存儲器可以做在硅 晶片襯底上，其關(guān)鍵材料是可記錄的相變薄膜、加熱電極材料、絕熱材料和引出電極材的研 究熱點也就圍繞其器件工藝展開器件的物理機(jī)制研究，包括如何減小器件料等。相變存儲 器的基本原理是利用電脈沖信號作用于器件單元上，使相變材料在非晶態(tài)與多晶態(tài)之間發(fā)生 可逆相變，通過分辨非晶態(tài)時的高阻與多晶態(tài)時的低阻，可以實現(xiàn)信息的寫入、擦除和讀出 操作。相變存儲器由于具有高速讀取、高可擦寫次數(shù)、非易失性、元件尺寸小、功耗低、抗強(qiáng) 震動和抗輻射等優(yōu)點，被國際半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會認(rèn)為最有可能取代目前的閃存存儲器而成為未 來存儲器主流產(chǎn)品和最先成為商用產(chǎn)品的器件。相變存儲器的讀、寫、擦操作就是在器件單元上施加不同寬度和高度的電壓或電流脈沖 信號擦操作(RESET)，當(dāng)加一個短且強(qiáng)的脈沖信號使器件單元中的相變材料溫度升高到熔 化溫度以上后，再經(jīng)過快速冷卻從而實現(xiàn)相變材料多晶態(tài)到非晶態(tài)的轉(zhuǎn)換，即"1"態(tài)到"0" 態(tài)的轉(zhuǎn)換；寫操作(SET)，當(dāng)施加一個長且中等強(qiáng)度的脈沖信號使相變材料溫度升到熔化溫 度之下、結(jié)晶溫度之上后，并保持一段時間促使晶核生長，從而實現(xiàn)非晶態(tài)到多晶態(tài)的轉(zhuǎn)換， 即"0"態(tài)到"1"態(tài)的轉(zhuǎn)換；讀操作，當(dāng)加一個對相變材料的狀態(tài)不會產(chǎn)生影響的很弱的脈 沖信號后，通過測量器件單元的電阻值來讀取它的狀態(tài)。目前世界上從事相變存儲器研發(fā)工作的機(jī)構(gòu)大多數(shù)是半導(dǎo)體行業(yè)的大公司，他們關(guān)注的焦 點都集中在如何盡快實現(xiàn)相變存儲塊的商業(yè)化上。對于目前的相變存儲芯片而言，可重復(fù)讀 寫次數(shù)始終維持在107—12。而動態(tài)隨機(jī)存儲器(DRAM)的可重復(fù)讀寫次數(shù)可達(dá)到IO"以上，靜 態(tài)隨機(jī)存儲器(SRAM)從理論上是可以無限次重復(fù)讀寫的。如何使得相變存儲芯片能夠進(jìn)一 步提升可重復(fù)讀寫次數(shù)一直是業(yè)界關(guān)注的焦點。大多數(shù)解決此方法的方式是從材料和工藝角 度提高材料本身的性能。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，從相變存儲器芯片設(shè)計的角度出發(fā)，提出一種充 分發(fā)揮相變存儲器的優(yōu)點，并結(jié)合當(dāng)今與未來擦、寫速度更快與循環(huán)次數(shù)更高的存儲器來實 現(xiàn)低壓、低功耗、高速與長壽命的新型存儲系統(tǒng)。一種新型存儲系統(tǒng)，由存儲模塊和對存儲模塊進(jìn)行實時監(jiān)控的控制電路組成，其中，所 述存儲模塊包括 副體存儲器和主體存儲器，由多個存儲塊組成； 每個存儲塊都包括一個相變存儲塊和一個讀寫次數(shù)寄存器，將本存儲塊被選中的次數(shù)進(jìn)行累加； 所述控制電路包括計數(shù)器，對所有存儲塊中的讀寫次數(shù)寄存器進(jìn)行清空；地址比較器，對地址進(jìn)行譯碼，定位寫入數(shù)據(jù)位于的存儲塊；數(shù)據(jù)讀寫地址切換模塊，將主體存儲器中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到副體存儲器中或?qū)⒏斌w存儲器中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到主體存儲器中。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述副體存儲器是動態(tài)隨機(jī)存儲器。 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述副體存儲器是靜態(tài)隨機(jī)存儲器。 本發(fā)明提出一種新型存儲系統(tǒng)的存儲方法，其中，所述存儲方法包括以下步驟-1) 計數(shù)器首先對所有存儲塊中的讀寫次數(shù)寄存器進(jìn)行清空，開始累計次數(shù)；2) 由地址比較器對地址進(jìn)行譯碼，定位寫入數(shù)據(jù)位于的存儲塊；與此同時，讀寫次數(shù)寄 存器將本存儲塊被選中的次數(shù)進(jìn)行累加；3) 當(dāng)累加到設(shè)定值時，讀寫次數(shù)寄存器發(fā)出信號給數(shù)據(jù)讀寫地址切換模塊；4) 數(shù)據(jù)讀寫地址切換模塊接收到信號后，將本存儲塊中相變存儲塊的數(shù)據(jù)拷貝到副體存 儲器中，之后的所有對相變存儲塊的數(shù)據(jù)操作全部轉(zhuǎn)移到副體存儲器中進(jìn)行；5) 當(dāng)計數(shù)器的計數(shù)周期完成后，對所有存儲塊中的讀寫次數(shù)寄存器進(jìn)行清空，重新開始 累計計數(shù)；6) 如果在新的周期中，相變存儲塊的讀寫次數(shù)沒有達(dá)到設(shè)定值，則將副體存儲器中的數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn)移回相變存儲塊，之后的讀寫操作在相變存儲塊中進(jìn)行。本發(fā)明的有益效果在于它充分發(fā)揮了相變存儲器的優(yōu)點，結(jié)合了當(dāng)今與未來擦、寫速 度更快與循環(huán)次數(shù)更高的存儲器實現(xiàn)了低壓、低功耗、高速與長壽命的功效，而且還可以通過設(shè)定讀寫操作頻率的參考值以及主體存儲器部分與副體存儲器部分的容量比例來調(diào)節(jié)整個 存儲系統(tǒng)的讀寫次數(shù)、速度和功耗。本發(fā)明的另一個有益效果在于它僅僅只需修改少量的參數(shù)便可以設(shè)計出完全不同的相 變存儲芯片，同時也使不同應(yīng)用領(lǐng)域的相變存儲器設(shè)計納入到一個體系中。
圖1為本發(fā)明的實現(xiàn)原理示意圖。
具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。本發(fā)明提出一種低壓、低功耗、高速、長壽命的新型存儲系統(tǒng)，它是在充分發(fā)揮相變存 儲器的優(yōu)點的同時，結(jié)合了當(dāng)今與未來擦、寫速度更快，循環(huán)次數(shù)更高的副體存儲器來實現(xiàn) 的。圖l顯示了本發(fā)明的實現(xiàn)原理。一種新型存儲系統(tǒng)ioo，由存儲模塊和對存儲模塊進(jìn)行實時監(jiān)控的控制電路組成，其中，所述存儲模塊包括副體存儲器115和主體存儲器，由多個存儲塊組成；每個存儲塊都包括 一個相變存儲塊110和一個讀寫次數(shù)寄存器111，將本存儲塊被選中的次數(shù)進(jìn)行累加；所述控 制電路包括計數(shù)器U2，對所有存儲塊中的讀寫次數(shù)寄存器lll進(jìn)行清空；地址比較器113， 對地址進(jìn)行譯碼，定位寫入數(shù)據(jù)位于的存儲塊；數(shù)據(jù)讀寫地址切換模塊114，將主體存儲器中 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到副體存儲器115中或?qū)⒏斌w存儲器115中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到主體存儲器中。所述副 體存儲器115是動態(tài)隨機(jī)存儲器。所述副體存儲器115是靜態(tài)隨機(jī)存儲器。本發(fā)明提出一種新型存儲系統(tǒng)的存儲方法，其中，所述存儲方法包括以下步驟1) 計數(shù)器112首先對所有存儲塊中的讀寫次數(shù)寄存器111進(jìn)行清空，開始累計次數(shù)；2) 由地址比較器113對地址進(jìn)行譯碼，定位寫入數(shù)據(jù)位于的存儲塊；與此同時，讀寫次 數(shù)寄存器111將本存儲塊被選中的次數(shù)進(jìn)行累加；3) 當(dāng)累加到設(shè)定值時，讀寫次數(shù)寄存器111發(fā)出信號給數(shù)據(jù)讀寫地址切換模塊114;4) 數(shù)據(jù)讀寫地址切換模塊114接收到信號后，將本存儲塊中相變存儲塊110的數(shù)據(jù)拷貝 到副體存儲器115中，之后的所有對相變存儲塊110的數(shù)據(jù)操作全部轉(zhuǎn)移到副體存儲器115 中進(jìn)行；5) 當(dāng)計數(shù)器112的計數(shù)周期完成后，對所有存儲塊中的讀寫次數(shù)寄存器lll進(jìn)行清空， 重新開始累計計數(shù)；6)如果在新的周期中，相變存儲塊110的讀寫次數(shù)沒有達(dá)到設(shè)定值，則將副體存儲器115 中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移回相變存儲塊110，之后的讀寫操作在相變存儲塊110中進(jìn)行。本發(fā)明在對相變存儲塊110進(jìn)行讀寫過程中，利用控制電路對讀寫過程進(jìn)行實時監(jiān)控， 將讀、寫頻率高于某一個特定值的相變存儲塊110的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至具有較高的讀寫次數(shù)和讀寫 速度的副體存儲器115中進(jìn)行讀、寫操作，這時充分利用了副體存儲器115的低壓、低功耗、 高速與長壽命的存儲特性。等讀、寫操作頻率降低至某一特定值時，從數(shù)據(jù)安全的角度出發(fā)， 將副體存儲器115中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到相變存儲塊110中，此時充分利用了相變存儲塊110非揮 發(fā)兼顧存儲速度快的特點。最終使存儲系統(tǒng)100的存儲次數(shù)進(jìn)一步增加，讀、寫速度進(jìn)一步 加快，功耗降得更低，數(shù)據(jù)在斷電時更有效地保持存儲特性。本發(fā)明提出的這種新型存儲系統(tǒng)的存儲方法，結(jié)合了兩種不同優(yōu)化方向的存儲方式的特 點。主體存儲器部分側(cè)重于非易失性，而作為緩存的副體存儲器115'部分則側(cè)重于高的讀寫 次數(shù)、高速，低功耗。由于相變存儲塊110具有與CMOS工藝高度集成的特點，并且在工藝制 備過程中位于CMOS工藝的后續(xù)步驟，這樣就可以與處于CMOS工藝流程中較為靠前的DRAM， SRAM等存儲器相結(jié)合。本發(fā)明提出的這種新型存儲系統(tǒng)，對相變存儲塊110進(jìn)行實時的探測，以讀寫頻率為依 據(jù)，對不同的相變存儲塊110采用不同的讀寫方式。由于輸入數(shù)據(jù)的地址可以反映輸入數(shù)據(jù) 所處的相變存儲塊110，根據(jù)輸入的地址，通過一個固定周期的時鐘發(fā)生器，可以探測到在一 個時鐘周期內(nèi)，有多少個數(shù)據(jù)被寫入到特定的相變存儲塊110中。如果這個數(shù)量大于某一個 特定的值，那么就將該相變存儲塊中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至具有較高的讀寫次數(shù)和讀寫速度的副體存 儲器115中進(jìn)行讀寫操作。如果這個數(shù)量低于某一個特定的值，那么繼續(xù)對該相變存儲塊110 進(jìn)行讀寫操作。本發(fā)明提出的這種新型存儲系統(tǒng)，通過設(shè)定讀寫操作頻率的參考值以及主體存儲器部分 與副體存儲器115部分的容量比例來調(diào)節(jié)整個存儲系統(tǒng)100的讀寫次數(shù)、速度和功耗。如果 讀寫操作頻率參考值設(shè)定的較低以及副體存儲器115部分容量設(shè)定較大，則表明相變存儲塊 110與副體存儲器115之間的數(shù)據(jù)交換較為頻繁，這樣雖然能使可重復(fù)讀寫次數(shù)、存儲速率、 功耗等性能會有較佳的表現(xiàn)，但是其成本也會較高，面積也會較大。如果讀寫操作頻率參考 值設(shè)定的較高以及副體存儲器115部分容量設(shè)定較小，則表明相變存儲塊110與副體存儲器 115之間的數(shù)據(jù)交換較為稀少，這樣雖然會使可重復(fù)讀寫次數(shù)、存儲速率、功耗等性能會有較 差的表現(xiàn)，但是其成本也會較低，集成度也會較高。作為存儲器的產(chǎn)品，必定會應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，每個應(yīng)用領(lǐng)域都有自身一定的應(yīng)用特點。本發(fā)明提出的這種新型存儲系統(tǒng)的存儲方法，可以使不同應(yīng)用領(lǐng)域的相變存儲器設(shè)計納入一 個體系中，僅僅只需修改少量的參數(shù)便可以設(shè)計出完全不同的相變存儲芯片。
權(quán)利要求
1、一種新型存儲系統(tǒng)，由存儲模塊和對存儲模塊進(jìn)行實時監(jiān)控的控制電路組成，其特征在于所述存儲模塊包括副體存儲器和主體存儲器，由多個存儲塊組成；每個存儲塊都包括一個相變存儲塊和一個讀寫次數(shù)寄存器，將本存儲塊被選中的次數(shù)進(jìn)行累加；所述控制電路包括計數(shù)器，對所有存儲塊中的讀寫次數(shù)寄存器進(jìn)行清空；地址比較器，對地址進(jìn)行譯碼，定位寫入數(shù)據(jù)位于的存儲塊；數(shù)據(jù)讀寫地址切換模塊，將主體存儲器中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到副體存儲器中或?qū)⒏斌w存儲器中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到主體存儲器中。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型存儲系統(tǒng)，其特征在于所述副體存儲器是動態(tài)隨機(jī)存儲器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型存儲系統(tǒng)，其特征在于所述副體存儲器是靜態(tài)隨機(jī)存儲器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型存儲系統(tǒng)的存儲方法，其特征在于所述存儲方法包括以下步 驟1) 計數(shù)器首先對所有存儲塊中的讀寫次數(shù)寄存器進(jìn)行清空，開始累計次數(shù)；2) 由地址比較器對地址進(jìn)行譯碼，定位寫入數(shù)據(jù)位于的存儲塊；與此同時，讀寫次數(shù)寄存器 將本存儲塊被選中的次數(shù)進(jìn)行累加；3) 當(dāng)累加到設(shè)定值時，讀寫次數(shù)寄存器發(fā)出信號給數(shù)據(jù)讀寫地址切換模塊；4) 數(shù)據(jù)讀寫地址切換模塊接收到信號后，將本存儲塊中相變存儲塊的數(shù)據(jù)拷貝到副體存儲器 中，之后的所有對相變存儲塊的數(shù)據(jù)操作全部轉(zhuǎn)移到副體存儲器中進(jìn)行；5) 當(dāng)計數(shù)器的計數(shù)周期完成后，對所有存儲塊中的讀寫次數(shù)寄存器進(jìn)行清空，重新開始累計 計數(shù)；6) 如果在新的周期中，相變存儲塊的讀寫次數(shù)沒有達(dá)到設(shè)定值，則將副體存儲器中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 移回相變存儲塊，之后的讀寫操作在相變存儲塊中進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型存儲系統(tǒng)，它充分發(fā)揮相變存儲器的優(yōu)點，結(jié)合當(dāng)今與未來擦、寫速度更快與循環(huán)次數(shù)更高的存儲器來實現(xiàn)低壓、低功耗、高速與長壽命的功效。這種新型存儲系統(tǒng)，對相變存儲塊進(jìn)行實時的探測，以讀寫頻率為依據(jù)，對不同的相變存儲塊采用不同的讀寫方式，通過設(shè)定讀寫操作頻率的參考值以及主體存儲器部分與副體存儲器部分的容量比例來調(diào)節(jié)整個存儲系統(tǒng)的讀寫次數(shù)、速度和功耗。它的另一個優(yōu)點是僅僅只需修改少量的參數(shù)便可以設(shè)計出完全不同的相變存儲芯片，同時也使不同應(yīng)用領(lǐng)域的相變存儲器設(shè)計納入到一個體系中。
文檔編號G11C7/10GK101329894SQ200810040948
公開日2008年12月24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)明者晟 丁, 波 劉, 宋志棠, 封松林, 蔡道林, 陳小剛, 陳邦明 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所