專利名稱：一種新型不揮發動態存儲器及其存儲操作方法
技術領域：
本發明屬于微電子技術領域，具體涉及一種雙端口相變隨機存儲器及其操作方法。
技術背景相變存儲器的基本存儲單元為采用了相變材料的存儲器件。相變材料是指可以在一般 非晶體和一般晶體狀態之間電切換的材料，適用于這樣的應用的典型材料包括各種硫屬元素化合物。通過在器件上施加一定數值的持續電激勵，相變材料便會因為溫度的變化而在 晶體和非晶體的狀態間轉變。如圖1所示，處于晶體和非晶體狀態下的相變材料具有相當 不同的I/V特性，依據此特性便可以在編程時將相變材料存儲器的狀態區分為"0"和"1"。 我們將處于高阻態的非晶體狀態定義為邏輯"o"，將處于低阻狀態的晶體狀態定義為邏輯"1"。而且，在沒有施加過溫(比如持續超過i5or)的情況下，相變材料的物理狀態不會 改變。因此在實際應用中，將所編程的值實際上是與相應的物理狀態一一對應。由于相變 材料物理狀態的穩定性，在掉電后編程的值會隨穩定的物理狀態一起得到維持，不需要持 續的刷新。這也是相變材料存儲器的一個重要優勢。相變材料進行物理狀態轉變的規律如圖2所示。相變材料的相位變化是通過升高材料 的溫度來進行的。當低于150'C時，相變材料的物理狀態會保持穩定。當溫度高于20CTC (圖2中所示的Tx)時，相變材料會迅速的發生晶體化，并在一段時間后完全的從非晶體 態轉變為晶體態(圖2中所示的時間t2)，即完成所謂的相變，實現從"0"向"1"的變 化。如果要實現"1"到"0"的變化，即晶體到非晶體的轉變，則需要將相變材料加熱到 可以令晶體融化的溫度Tm之上(大概在600'C)，然后迅速冷卻(圖2所示的時間tl)。以上是基于相變材料基于溫度而產生的相變。具體涉及到電學操作時，因為相變材料 總歸具有一定的電阻，通過加上適當的電流并維持適當的時間，通過形成的焦耳熱便可以完成相位變化。存儲器中，相變材料構成的器件通常會與一個開關器件一起構成一個基本單元，如附 圖1所示。實際的電路設計中，開關器件可以選擇MOSFET、 二極管或者雙極型晶體管， 附圖3中是以一個NPN雙極型晶體管為例。通過在位線WL上施加一定的電壓Vw使雙 極型晶體管010導通，再在字線BL上通上適當的寫電流并持續一定的時間，因為持續的 過溫，相變材料的物理狀態便會發生改變。如果事先獲得了相變材料的物理變化和字線BL3上寫電流的關系，并規定兩種物理狀態為相應的"0"和"1"，便可以通過電流對存儲器 進行編程，這便是所謂的存儲器的寫操作。我們將寫"0"稱為reset,寫"1"稱為set, 兩種操作和溫度的關系如圖2所示。讀操作時，同樣是通過位線WL選中一個單元，再在字線BL上施加一個瞬態的電流 或者電壓脈沖，通過相變材料器件后，在器件兩端形成一個對應的壓降或者在字線BL上 形成相應的電流。將這個電壓信號或者電流信號送入一個比較器(因為瞬態激勵很小，必 要的話可以先經過放大器放大)。而在比較器的另一個輸入一個合適的參考電壓，通過與 來自存儲器的電壓或者電流進行比較，從而判斷讀到的是邏輯電平O還是邏輯電平1，再 將這個判斷結果從比較器的輸出端輸出，于是便實現了讀操作。因為讀操作只有一個很小 的瞬態電流，所以并不會改變相變材料存儲器的狀態。從上述描述我們也可以看出，寫操作時需要一個持續的相對較大的電流來形成過溫以 改變相變材料的物理狀態，而在讀操作時為了不對相變材料的物理狀態產生影響，同時基 于靜態功耗等考慮而采用了瞬態的小信號。因為所加激勵的區別以及實現原理的區別，以 傳統的存儲器單元，即1B1R或者1T1R的結構為基礎的存儲器，要想同時對相變材料實 現讀操作和寫操作是不可能實現的，讀操作和寫操作的時間也是存儲器中無法消除也無法 重疊的時間消耗。即使可以通過工藝手段來提高器件性能，以實現讀寫時間的縮減，但是 隨著工藝瓶頸的出現，繼續通過新工藝來提高存儲速度變得越來越困難，有所成果也往往 伴隨著高昂的研發費用，而回報卻相當有限。相比之下，通過新的設計思路來縮減讀寫時 間會是更加現實，至少是更加簡單的方法。而且我們注意到，相比讀操作來說，寫操作所需要消耗的時間更加的長。也就是說， 如果能讓寫操作和讀操作并行的話，在進行一次寫操作的過程中，可以實現復數次的讀操 作過程，從而節省很大的時間。如果能尋求一種設計方面的解決方案以實現這個目標，對 節約整個存儲器的存儲時間是相當有利的。 發明內容本發明提出了一種基于相變材料存儲器的存儲器基本單元構架。此構架與傳統的一個 存儲器和一個與之相應的存儲器晶體管的1B1R結構有所不同，采用了 2B1R的結構—— 即一個存儲器單元中包括一個相變存儲器和兩個與之對應的存儲器晶體管。以此結構構成 相變存儲器陣列，配上合適的外圍電路，可以實現縮短存儲時間的功能。本發明提出了一種基于2B1R結構的嵌入式相變存儲器設計方案，包括數個2B1R結 構的存儲器單元和相應數目的位線和字線。假設存儲單元的數目是nXn，那么與之相應的 位線和字線的數目均是2n。這其中包括n條讀字線、n條寫字線、n條讀位線、n條寫位線，并且在存儲陣列外圍，有與之相應的行譯碼器和列譯碼器，分別是行讀操作譯碼器、 行寫操作譯碼器、列讀操作譯碼器、列寫操作譯碼器。本發明針對以上嵌入式相變存儲器的結構設計了一套用于實現讀寫操作的方案。可以 通過與存儲單元中位于寫字線上的晶體管的b端相連的寫位線選中某個單元，并通過寫字 線對此單元進行寫0和寫1的操作。或者通過與存儲單元中位于讀字線上的晶體管的b端 相連的讀位線選中某個單元，并通過讀位線對此單元進行讀操作。本發明針對以上嵌入式相變存儲器的設計結構設計了一套操作方式。通過獨立的行讀 譯碼器和行寫譯碼器，以及同樣獨立的列讀譯碼器和列寫譯碼器，可以同時進行讀譯碼和 寫譯碼，并對不同的存儲器單元同時進行寫和讀的操作。兩種操作可以并行進行，不會互 相影響。
圖1:相變材料在晶體與非晶體狀態下的I/V特性曲線及對應的邏輯電平。圖2:相變材料隨溫度發生物理狀態改變的規律，即寫操作中set和reset隨溫度變化的關 系，間接表示了兩種操作與電流的關系。圖3:傳統的由一個雙極型晶體管和一個相變材料存儲器構成的存儲器基本單元。圖4:為了實現讀、寫操作同時進行而改進的基本存儲單元結構，由兩個雙極型晶體管和一個相變材料存儲器構成，簡寫為2B1R。圖5:以2B1R基本存儲單元為基礎，設想的芯片陣列。圖示的陣列為一個4X4的芯片陣列，同時加上了行和列的譯碼器以及讀操作中需要用到的比較器和參考電壓。 圖中標號CRYSTALLINE " 1"為處于晶體狀態的相變的材料的I/V特性曲線，AMORPHOUS "0"為處于非晶體狀態的相變材料的I/V特性曲線。Vr為一個給定的讀電壓，具體數值 根據實際情況來決定。A為reset操作時相變材料的溫度隨時間的變化曲線，Tm為此時的 要求的過溫。B為set操作時相變材料的溫度隨時間變化的曲線，Tx為此時要求的過溫。 時間tl為reset操作中過溫后急速冷卻的時間，時間t2為set操作中整個過溫時間。BL和 Vb分別是位線和加在位線上的操作電壓，WL和Vw分別是字線和加在字線上的操作電壓。 011是一個相變材料存儲器，010是與之相應的存儲晶體管。001是一個相變存儲器，002 和003是兩個雙極型晶體管。WWL01和WBL01分別是寫操作的字線和位線，RWL01和 RBL02分別是讀操作的字線和位線。WBL01 WBL04是4條寫位線，RBL01 RBL04是4 條讀位線，WWL01 WWL04是4條寫字線，RWL01 RWL04是4條讀字線。004所示的 是寫操作列譯碼器，WBLIN是其譯碼信號的輸入；006所示是讀操作列譯碼器，RBLIN是其譯碼信號的輸入。005所示的是寫操作行譯碼器，WWLIN是其譯碼信號的輸入；007 所示是讀操作行譯碼器，RWLIN是其譯碼信號的輸入。009是一個比較器，008是一個事 先設定的生成參考電平的電路。
具體實施方式
在下文中結合圖示在參考實施例中更完全地描述本發明，本發明提供優選實施例，但 不應該被認為僅限于在此闡述的實施例。相反，提供這些實施例以便此公開是徹底的和完 全的，將本發明的范圍完全傳遞給相關領域的技術人員。在此參考圖是本發明的理想化實施例的示意圖，本發明所示的實施例不應該被認為僅 限于圖中所示的區域的特定形狀。本發明涉及一種嵌入式相變存儲器結構，其特點在于擁有獨立的讀、寫譯碼器，從而 可以實現在對一個單元進行寫操作的同時，可以同時對另外的單元進行讀操作。附圖的1~3已經在背景技術里進行了說明。圖4是本發明提出的嵌入式相變存儲器的基本存儲單元，即存儲器的關鍵路徑。如圖 所示，圖4中，OOl是一個相變存儲器，因為其工作原理是以物理狀態的改變來實現電阻 的變化，從而實現編程上O和1的區別，所以在這里以一個變阻器來表示。002是位于寫 字線上的一個PNP型雙極型晶體管，這條寫字線標號為WBLOl，連接在002的發射極上。 從圖中可以看見，標號WWL01的寫位線連到了 002的基極上。003是位于讀字線上的一 個PNP型雙極型晶體管，這條字線的標號為RBLOl，鏈接在003的發射極上。從圖中可 以看見，標號RWL01的讀位線連接在003的基極上。然后002和003的集電極均與001 的同一端相連，001的另一端接地。具體操作時，如果要進行寫l操作，則在寫位線WWL01上加一個相對的低電壓，比如使之接地。然后在寫字線WBLOl上加一個合適的高電壓，比如1.5V (具體電路中的電壓值應該要根據電路條件來選取，即能使相變材料存儲器OOl上形成一個足以讓其達到200'C過溫的電流)，此時PNP型雙極型晶體管002就會導通。又因為相變材料存儲器OOl的上端是接地的，所以在相變材料OOl上便會流過一個電流。合理控制加在WBL01上的寫電壓，便可以讓這個電流產生的焦耳熱使相變存儲器OOl達到20(TC左右的過溫。根據相變材料的特性，在此過溫下維持適當的時間，對相變材料存儲器001寫1的寫操作便可以完成。而如果是要寫O的話，同樣要在在寫位線WWL01上加一個相對的低電壓，比如使之接地。然后在寫字線WBL01上加一個合適的高電壓，比如3V (具體電路中的電壓值應該要根據電路條件來選取，即能使相變材料存儲器001上形成一個足以讓其達到60(TC過溫的電流)，此時PNP型雙極型晶體管002就會導通。又因為相變材料存儲器OOl的上端是接地的，所以在相變材料001上便會流過一個電流。合理控制加在WBL01上的寫電壓， 便可以讓這個電流產生的焦耳熱使相變存儲器001達到600'C左右的過溫。根據相變材料 的特性，在此過溫下維持適當的時間，對相變材料存儲器OOl寫O的寫操作便可以完成。在進行讀操作時，在讀位線RWL01上加一個相對的低電壓，比如接地，然后在讀字 線上加一個瞬間的小電壓脈沖，此脈沖只要能讓雙極型晶體管003導通一瞬間，能讓OOl 上形成一個瞬態電流并流過003的集電極和發射極即可。因此脈沖的寬度可以很短，大小 只要能高于雙極型晶體管的開啟電壓即可，比如0.7V。然后由此脈沖在003上產生的響應 電流便會流過讀字線RBLOl，只要將其流入一個比較器，并和事先預設的參考值進行比較 便可以得到讀出的數值是0還是1 了，從而完成讀操作。圖5是本發明中基于圖4中所描述的相變存儲器存儲單元所構成的嵌入式相變存儲 器。圖中所描述的嵌入式相變存儲器的芯片陣列是一個4X4的芯片陣列。WBL01 WBL04 是4條寫位線，RBL01-RBL04是4條讀位線，WWL01 WWL04是4條寫字線， RWL01 RWL04是4條讀字線。圖中的行和列譯碼器均包含兩個獨立的部分。004所示的 是寫操作列譯碼器，WBLIN是其譯碼信號的輸入；006所示是讀操作列譯碼器，RBLIN 是其譯碼信號的輸入。005所示的是寫操作行譯碼器，WWLIN是其譯碼信號的輸入；007 所示是讀操作行譯碼器，RWLIN是其譯碼信號的輸入。009是一個比較器，其"+"端字 讀字線相連。圖5所示的芯片一次一次只能對一個相變存儲器單元進行讀操作，因此最后 讀到的電流信號只會有一個，所以比較器也只有一個。比較器的"-"端與一個事先設定的 生成參考電平的電路相連，在圖中用008來表示。通過將讀到的電流信號與參考電平進行 比較，最后得以在比較器009的輸出端輸出0或者1。具體操作時，在行和列譯碼器中，讀操作行譯碼器007和寫操作行譯碼器005、讀操作列 譯碼器006和寫操作列譯碼器004，這兩對譯碼器都是相對獨立的——包括獨立的結構和 獨立的輸入以及輸出，因此可以互不干擾的工作，并對本來就獨立的讀、寫位線和讀、寫 字線提供經過譯碼器處理的選址信號和操作信號。因為這種結構的存在，當我們在對由相 變存儲器001和雙極型晶體管002、 003構成的2B1R基本存儲單元進行寫操作的時候，此 時寫操作行譯碼器005和寫操作列譯碼器004都處于被占用的狀態。但是與之相互獨立的 讀操作行譯碼器007和讀操作列譯碼器006還處于空閑的狀態，所以如果此時有讀操作的 動作經過RWLIN和RBLIN輸入進行譯碼并要求進行讀操作的話，讀操作的譯碼可以順利 進行并生成相應的選址信號和讀操作信號。而如果選擇的需要進行讀操作的單元不是由相 變存儲器001和雙極型晶體管002、 003構成的2B1R基本存儲單元的時候(因為不可能同 時對同一個相變存儲器進行讀和寫操作)，比如是由相變存儲器012和雙極型晶體管013、014構成的2B1R基本存儲單元時，由于寫操作的位線WBL01 WBL04和字線 WWL01 WWL04與讀操作的位線RWL01 RWL04與字線RBL01 RBL04是相互獨立的， 此時對由相變存儲器001和雙極型晶體管002、 003構成的2B1R基本存儲單元進行的寫操 作雖然占用了寫操作的位線WBL01 WBL04和字線WWL01 WWL04，但是讀操作的位線 RWL01 RWL04與字線RBL01 RBL04仍然是空閑的，所以由讀操作行譯碼器007和讀操 作列譯碼器006生成的選址信號和操作信號仍可以通過空閑的讀操作的位線 RWL01-RWL04與字線RBL01 RBL04選中空閑的相變存儲器單元，比如由相變存儲器012 和雙極型晶體管013、 014構成的2B1R基本存儲單元，對其進行讀操作。而且需要注意的 是，由于寫操作需要消耗的時間比起讀操作來說要長很多，所以在一次寫操作的過程中， 可以對多個其他的單元進行讀操作。所以如果能合理的安排讀寫的順序，此種布局的相變 存儲器便可以起到節約操作時間，提高讀寫效率的作用。
權利要求
1、一種雙端口動態隨機存儲器，其特征在于包括數條字線，數條位線，以及數個存儲單元，每個存儲單元位于兩條字線與兩條位線的各個交叉區。每個存儲單元包括一個相變存儲單元、兩個選通管、一條寫字線，一條讀字線、一條寫位線、一條讀位線，其中第一選通器件與讀字線與讀位線相連，第二選通器件與寫字線與寫位線相連。
2. 根據權利要求1所述的雙端口動態隨機存儲器，其特征在于所述的選通器件是雙極 型晶體管。
3. 根據權利要求1所述的雙端口動態隨機存儲器，其特征在于寫字線與讀字線連向不 同的行譯碼器，寫位線與讀位線連向不同的列譯碼器及多路選擇器。
4. 根據權利要求l所述的雙端口動態隨機存儲器，對其操作方法的特征為在對雙端 口動態隨機存儲器中某一存儲單元進行寫操作的時候，可以對另一存儲單元進行讀操作。
全文摘要
本發明屬于集成電路技術領域，具體為一種新型雙端口動態隨機存儲器及其存儲操作方法，其特征在于包括數條字線，數條位線，以及數個存儲單元，每個存儲單元位于兩條字線與兩條位線的各個交叉區。每個存儲單元包括一個相變存儲單元、兩個選通管、一條寫字線，一條讀字線、一條寫位線、一條讀位線，其中第一選通器件與讀字線和讀位線相連，第二選通器件與寫字線和寫位線相連。此種相變存儲器可以起到節約操作時間，提高讀寫效率的作用。
文檔編號G11C16/06GK101329905SQ200810040938
公開日2008年12月24日 申請日期2008年7月24日 優先權日2008年7月24日
發明者吳雨欣, 廖高宏, 佶 張, 樂 徐, 林殷茵, 胡倍源, 薛曉勇 申請人:復旦大學