[发明专利]一种多值相变随机存储器的存储单元及操作方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体存储技术领域，具体涉及一种多值相变随机存储器的存储单元及其操作方法。

背景技术

相变随机存储器（PCRAM）是一种非易失性存储器，因为其能与硅基半导体工艺兼容，同时兼具有DRAM的高容量、低成本，SRAM的高速度，FLASH的数据非易失性，并且在可靠性、低功耗等方面也具有优良特性的特点，己被公认为最有可能取代SRAM、DRAM和FLASH等当今主流产品而成为未来存储器主流的下一代半导体存储器件。

相变随机存储器是通过通入写电流产生焦耳热使存储介质发生可逆的结构相变，利用相变物质在晶态和非晶态结构相之间高达四个数量级的阻值差来表征和存储二进制数据“0”和“1”；在不破坏其材料结构相的条件下给存储元以适当的电流或电压脉冲，通过测量出的阻值状态读取所存储的信息。

图1为现有技术中相变随机存储器一个存储单元10的电路图。存储单元10包括串联在位线和地之间的相变存储元件PCE和选通元件SE。其中相变存储元件PCE和选通元件SE位置可以互换。选通元件可以为MOS管或者三极管。当选通元件SE为MOS管时，其栅极与字线WL相连，源极与地相连，漏极与相变存储元件PCE相连。当选通元件为双极性晶体管时，其基极与字线WL相连，发射极与地相连，集电极与相变存储元件PCE相连。通过字线WL上电压控制选通元件的导通和截止，再通过位线BL上的读写电流的输入，对相变存储元件PCE进行读写操作。

图2为对相变存储元件PCE进行读写的温度和电流特性曲线。21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”。22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”。23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。

传统的相变随机存储器的存储单元都是采用的图1所示的结构。但这种结构下只能通过缩小相变存储元件尺寸来减小操作电流，从而提高存储密度，对制作工艺需要极高的要求。然而，相变随机存储器的相变存储元件的非晶态和晶态之间的阻值差异高达四个数量级，因此使一个相变存储元件部分结晶达到多种阻态，从而实现存储多位数值的方法是一种有效提高相变随机存储器存储密度的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不改变相变存储元件结构以及相变存储器的读写电路并利用选通元件的寄生电阻的改变来实现多值存储的相变随机存储器，从而提高相变随机存储器的存储密度。

本发明提供了一种多值相变随机存储器的存储单元，包括相变存储元件、第一选通元件和第二选通元件；所述相变存储元件的一端与位线相连；所述第一选通元件的一端与所述相变存储元件的另一端连接，所述第一选通元件的另一端接地，所述第一选通元件的控制端与第一字线连接；所述第二选通元件的一端与所述相变存储元件的另一端连接，所述第二选通元件的另一端接地，所述第二选通元件的控制端与第二字线连接；所述第一选通元件的导通寄生电阻大于所述第二选通元件的导通寄生电阻。

更进一步地，所述第一选通元件为第一MOS管，所述第一MOS管的漏极作为所述第一选通元件的一端，所述第一MOS管的栅极作为所述第一选通元件的控制端，所述第一MOS管的源极作为所述第一选通元件的另一端。

更进一步地，所述第二选通元件为第二MOS管，所述第二MOS管的漏极作为所述第二选通元件的一端，所述第二MOS管的栅极作为所述第二选通元件的控制端，所述第二MOS管的源极作为所述第二选通元件的另一端。

更进一步地，所述第一选通元件为第一三极管，所述第一三极管的集电极作为所述第一选通元件的一端，所述第一三极管的基极作为所述第一选通元件的控制端，所述第一三极管的发射极作为所述第一选通元件的另一端。

更进一步地，所述第二选通元件为第二三极管，所述第二三极管的集电极作为所述第二选通元件的一端，所述第二三极管的基极作为所述第二选通元件的控制端，所述第二三极管的发射极作为所述第二选通元件的另一端。

更进一步地，所述相变存储元件的存储材料为相变材料。

本发明还提供了一种多值相变随机存储器，包括存储阵列、译码器、读写模块、输入输出模块和逻辑控制模块，所述存储阵列由多个存储单元构成，所存储单元为上述的存储单元。

本发明还提供了一种实现上述的存储单元的操作方法，包括下述步骤：