[发明专利]一种相变随机存储器

说明书

技术领域

本发明涉及一种非易失性半导体存储器装置，具体涉及一种相变随机存储器。

背景技术

相变随机存储器(PCRAM)是一种非易失性半导体存储器，当电源供给中断时仍然保存已存储的数据。它利用了相变材料(例如Ge2Sb2Te5)能够在晶态、非晶态之间发生可逆转变的特性，用材料在这两种稳定状态下呈现的不同电阻值来区分相变存储单元的逻辑值。

图1示出了一个存储元件10的结构图，它包括上电极层11、绝缘层12、相变层13和下电极层14，其中相变材料用作根据所产生温度而变化的可变电阻器，它响应于通过相变存储元件的电流在相变材料上所产生的焦耳热。SET电流作用于相变材料，使其转变为低阻晶态；RESET电流作用于相变材料，使其转变为高阻非晶态。其相变层采用了T型结构，相变层13的小孔内区域为有效相变区。

图2示出了相变存储器件的一个相变存储单元20的电路图。相变存储单元20包括串联在位线BL和地之间的存储元件21、选择元件22。其中，元件21和22的位置可以互换。具体实施时，选择元件可采用NMOS晶体管N1，其具有连接到字线WL的栅极。当向字线WL施加选通高电平时，N1导通，位线BL上的电流流经存储元件21，对其进行读写操作。

图3示出了常规相变存储器件的另一相变存储单元30的电路图，相变存储单元30包括串联在位线BL和字线WL之间的存储元件31、选择元件32。具体实施时，可利用二极管作为选择元件。PNP型双极型晶体管基极连接字线WL，其发射结作为选择二极管。当PNP管的发射结上正向电压差超过其阈值电压时，发射结导通，存储元件31通过位线接收电流。

图4示出了对存储元件进行读写期间的电流及温度特性图。41表示RESET电流对相变材料温度的影响，在短时间内提供高脉冲，相变材料被加热到其熔点T₂以上后快速淬火，其变为非晶态，存储数据“0”。42表示SET电流对相变材料温度的影响，在较长时间内提供中等脉冲，相变材料被加热到高于结晶温度T₁、低于熔点T₂，其变为晶态，存储数据“1”。43表示读电流对相变材料温度的影响，低脉冲作用于相变材料，需保证相变材料的温度低于结晶温度，不影响存储位的状态。

相变存储器芯片组成类似于传统半导体随机存储器，包括写入单元、读出单元、逻辑控制单元、地址译码器、输入输出缓冲、存储阵列。

完全晶态和完全非晶态相变材料的电阻率差值高达几个数量级，给读出和测试造成极大困难，故写入时要通过调节SET或RESET电流的幅值和脉宽来控制相变材料的晶化程度。

相变材料的晶化不是一个突变过程，故文中所提到的“晶态”和“非晶态”是一个相对概念，指两种状态的晶化程度不同，并不指完全的晶化和非晶化。写入电流脉冲的幅值和持续时间的改变，或是所选用的相变材料的改变，都会造成“0”和“1”状态的电阻值的较大变化。一种“0”、“1”值电阻范围可调的读出放大器可以广泛运用于相变随机存储器中。

外围电路的制造是基于集成电路的CMOS制造工艺，可以直接将电路数据送往foundry流片。而存储元件的制造涉及一种新材料：相变材料，需要在外围电路基础上增加若干步常规光刻、镀膜工艺制成。一块完整的相变随机存储器芯片要保证这两步的有效结合。

实现外围电路中的各个单元模块及与其同时制造的存储阵列的选择元件、存储阵列中的存储元件这两者的有效结合，制造完整的相变随机存储器芯片，正确实现其存储位的随机选择与正确读写，是一个有待进一步完善的新课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种相变随机存储器，该存储器能够实现相变存储单元的随机选择，以及存储元件的电阻值和电平信号间的有效可逆转换。

本发明提供的相变随机存储器，其特征在于：它包括相变存储单元阵列、字线译码器、逻辑控制模块、写入模块、读出模块和输入输出端口控制模块；

逻辑控制模块分别接收来自于外部提供的芯片选通信号和芯片读写信号，经电路转换得到写使能信号和读使能信号，并将写使能信号输出至写入模块，将读使能信号输出至输入输出端口控制模块；

字线译码器用于实现读写单元的选择；它分别接收外部的芯片选通信号和字线地址，将字线地址进行译码处理，通过选通的字线将字线选通信号输出至相变存储单元阵列；