[发明专利]一种新型不挥发动态存储器及其存储操作方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种双端口相变随机存储器及其操作方法。

背景技术

相变存储器的基本存储单元为采用了相变材料的存储器件。相变材料是指可以在一般非晶体和一般晶体状态之间电切换的材料，适用于这样的应用的典型材料包括各种硫属元素化合物。通过在器件上施加一定数值的持续电激励，相变材料便会因为温度的变化而在晶体和非晶体的状态间转变。如图1所示，处于晶体和非晶体状态下的相变材料具有相当不同的I/V特性，依据此特性便可以在编程时将相变材料存储器的状态区分为“0”和“1”。我们将处于高阻态的非晶体状态定义为逻辑“0”，将处于低阻状态的晶体状态定义为逻辑“1”。

而且，在没有施加过温(比如持续超过150℃)的情况下，相变材料的物理状态不会改变。因此在实际应用中，将所编程的值实际上是与相应的物理状态一一对应。由于相变材料物理状态的稳定性，在掉电后编程的值会随稳定的物理状态一起得到维持，不需要持续的刷新。这也是相变材料存储器的一个重要优势。

相变材料进行物理状态转变的规律如图2所示。相变材料的相位变化是通过升高材料的温度来进行的。当低于150℃时，相变材料的物理状态会保持稳定。当温度高于200℃(图2中所示的Tx)时，相变材料会迅速的发生晶体化，并在一段时间后完全的从非晶体态转变为晶体态(图2中所示的时间t2)，即完成所谓的相变，实现从“0”向“1”的变化。如果要实现“1”到“0”的变化，即晶体到非晶体的转变，则需要将相变材料加热到可以令晶体融化的温度Tm之上(大概在600℃)，然后迅速冷却(图2所示的时间t1)。

以上是基于相变材料基于温度而产生的相变。具体涉及到电学操作时，因为相变材料总归具有一定的电阻，通过加上适当的电流并维持适当的时间，通过形成的焦耳热便可以完成相位变化。

存储器中，相变材料构成的器件通常会与一个开关器件一起构成一个基本单元，如附图1所示。实际的电路设计中，开关器件可以选择MOSFET、二极管或者双极型晶体管，附图3中是以一个NPN双极型晶体管为例。通过在位线WL上施加一定的电压Vw使双极型晶体管010导通，再在字线BL上通上适当的写电流并持续一定的时间，因为持续的过温，相变材料的物理状态便会发生改变。如果事先获得了相变材料的物理变化和字线BL上写电流的关系，并规定两种物理状态为相应的“0”和“1”，便可以通过电流对存储器进行编程，这便是所谓的存储器的写操作。我们将写“0”称为reset，写“1”称为set，两种操作和温度的关系如图2所示。

读操作时，同样是通过位线WL选中一个单元，再在字线BL上施加一个瞬态的电流或者电压脉冲，通过相变材料器件后，在器件两端形成一个对应的压降或者在字线BL上形成相应的电流。将这个电压信号或者电流信号送入一个比较器(因为瞬态激励很小，必要的话可以先经过放大器放大)。而在比较器的另一个输入一个合适的参考电压，通过与来自存储器的电压或者电流进行比较，从而判断读到的是逻辑电平0还是逻辑电平1，再将这个判断结果从比较器的输出端输出，于是便实现了读操作。因为读操作只有一个很小的瞬态电流，所以并不会改变相变材料存储器的状态。

从上述描述我们也可以看出，写操作时需要一个持续的相对较大的电流来形成过温以改变相变材料的物理状态，而在读操作时为了不对相变材料的物理状态产生影响，同时基于静态功耗等考虑而采用了瞬态的小信号。因为所加激励的区别以及实现原理的区别，以传统的存储器单元，即1B1R或者1T1R的结构为基础的存储器，要想同时对相变材料实现读操作和写操作是不可能实现的，读操作和写操作的时间也是存储器中无法消除也无法重叠的时间消耗。即使可以通过工艺手段来提高器件性能，以实现读写时间的缩减，但是随着工艺瓶颈的出现，继续通过新工艺来提高存储速度变得越来越困难，有所成果也往往伴随着高昂的研发费用，而回报却相当有限。相比之下，通过新的设计思路来缩减读写时间会是更加现实，至少是更加简单的方法。

而且我们注意到，相比读操作来说，写操作所需要消耗的时间更加的长。也就是说，如果能让写操作和读操作并行的话，在进行一次写操作的过程中，可以实现复数次的读操作过程，从而节省很大的时间。如果能寻求一种设计方面的解决方案以实现这个目标，对节约整个存储器的存储时间是相当有利的。

发明内容