一种新型的高密度多值相变存储器的存储方案制造技术

本发明专利技术属于微电子技术领域，具体涉及一种新型的高密度多值相变存储器的存储方案。具体针对相变存储器中存在的、工艺波动下的高可靠性存储与高密度存储之间的矛盾，提出了全新的“以比值为导向”的存储状态定义方法。以此方法为向导，在充分利用相变电阻自身提供的多值编写能力的基础上，继承２Ｔ２Ｒ结构的固有优点，加上外围灵敏放大器与边界数设定的合理结合，成功的实现了小尺寸下，面临严重的工艺波动时，相变存储器的高可靠性存储与高密度存储，提高了相变存储器在未来小尺寸环境下的竞争力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于集成电路
，具体涉及一种新型的高密度多值相变存储器的存储方案。
技术介绍
存储器在半导体市场中占有重要的地位，由于便携式电子设备的不断普及，不挥发存 储器在整个存储器市场中的份额也越来越大，其中90。/。以上的份额被FLASH占据。目前， Flash大行其道的主要原因在于其存储密度高(尤其是实现多值存储后，Multilevel).工艺 成熟，以致单位容量的制作成本低。然而Flash存在着抗疲劳特性不好，只能进行块 写/擦除操作，所需电压高(甚至需要电荷泵或双电源)等缺点。而且，Flash受制于自身的 机帝U，如SILC(Stress Induced Leakage Currents)等的影响，其特征尺寸将很难縮小到45nm以 下。这就迫使人们寻找性能更为优越的下一代不挥发存储器。其中，相变存储器由于其读 写性能、抗疲劳特性(Endumnce)好，工艺简单，成本低，与CMOS工艺兼容性好以及尺寸 易于进一步縮小等优点脱颖而出，成为有望取代Flash的佼佼者。图1是已被报道的相变材料的I一V特性曲线的示意图W，由图中可以看到相变材料具有 两个不同的稳态:一个是曲线101所示的晶态，SPSet State,具有较低的电阻；另一个是曲线 102所示的非晶态，即Reset State,具有较高的电阻。而相变存储器正是基于相变材料具有 的这两种不同的状态来存储0和1。图2是相变材料的阻值和编程电流幅值的关系[1]。从图中 可以看出，尽管初始的状态(201和202)有所不同，但一旦电流增大到一定值，相变材料的 阻值立刻降到晶态电阻的水平(203)。很明显，此时材料晶化了。不同初值的两条曲线在此 低阻范围内十分接近，说明晶化时材料的最终状态与初态关系不大，主要取决于SET的电 流脉冲。同样，对于右侧的曲线变化可以看到，在电流继续增大的情况下，两种状态都有 非晶化的趋势而最终的状态趋于一致都为高阻态(204)。这说明材料的非晶化，也和初 态无关，而由RESET脉冲决定。总之，相变材料具有直接编写特性，最终的阻值和状态 与初始状态无关，只由施加的激励脉冲决定。图3是一个传统的1T1R结构(即存储单元由一个晶体管(1T)和一个相变材料(1R)构成) 的存储单元和存储阵列的示意图P]。可以看到，每个存储单元(301)都是由一个相变材料(302) 和一个PNP的三极管(303)构成的。而许多个存储单元有序地排列便组成了一个相变存储 阵列。对相变存储阵列进行读写时，先通过译码器选中相应的存储单元，然后在位线上加 相应的电流来实现。近几年来根据不同的应用场合，相变存储器的发展趋势分为高密度和高可靠性两个方 向。高密度的相变存储器的重点在于在一定的面积内尽可能实现更多的存储容量(bit)。然 而由于相变存储器的写操作电流比较大，尤其是Reset电流，限制了晶体管的尺寸的縮小。 为了实现相同的存储阵列来存储更多的状态，多态存储的技术也被运用在了相变存储器上 [3]。多值存储的原理将相变电阻编写为多种介于完全非晶态和完全多晶态之间的状态，且 这些状态下的阻值同样也介于完全非晶态的高阻值和完全多晶态的低阻值之间。比如将相 变电阻编写为4个不同的值，那在读的时候就会在这个存储单元上获得4个不同大小的电 流，用这4个大小不同的电流分别代表00,01，10,11就可以实现在一个存储单元上存2位数据。 多值存储技术不失为高密度存储的一个可行方案。但在小特征尺寸和大尺寸晶圆的情况 下，工艺波动的影响会越来越大，由此导致GST等相变材料的非晶态的高阻值和晶态的低 阻值的阻值分布范围越来越发散[4]。这体现为高低阻值状态之间的差距下降，更不用说多 值存储了，这种不同状态间的窗口的缩小，对读出放大器的参考电流源的设计提出了很高 的要求。因此，出于高可靠性的要求的一个典型的解决方案就是基于2T2R的相变存储器的 结构[5]，用于取代传统的1T1R结构以提高抗干扰(如工艺波动)的能力。具体电路如图4所示。 图中，虚线圈401内为一个2T2R的存储单元。单元内的2个相变电阻PCR处于相反的状 态，即一个为高阻的非晶态则另一个一定处于低阻的多晶态。由于两个PCR位于同一单元， 在位置上临近，它们将受到近乎相同的外界干扰并发生基本相同的偏移。这种同向的变化 加在差分输出的读出放大器(S/A)上，对输出几乎无任何影响，因而保证了电路的可靠工作。 由此可见，2T2R实质上是2个1T1R共同(互补的)存储1位2进制信息，双位线差分输出信息 到灵敏放大器，因而无需外加参考源电路。然而，尽管经过多年的探索，相变存储器已发 展出了多种不同的存储结构，但没有一种可以兼顾高密度和高可靠性的要求，原因在于高 存储密度(多值存储)和高可靠性(2T2R互补结构)两者之间存在一定的矛盾。因为多值存储 意味着二元思维下非此即彼的思想不再成立，2T2R结构内的2个相变电阻也不再可能 始终实现所谓互补存储信息。为提高抗干扰能力、应对不同状态的阻值范围可能的交 叠而不使用外加参考源的、直接将双位线输出送至灵敏放大器比较的想法，在相变电阻具 有多于2种阻值的现实下将难以实现。此时，2T2R中的2个相变电阻分别在多值中选取，情 况多种多样；而灵敏放大器的比较结果仍然是二元的0或1。要解决这一矛盾，同 时获得高存储密度和小尺寸下高的可靠性，需要引入新的因素。
技术实现思路
本专利技术提出一种操作多值相变存储器的方法，其特征为以比值为导向来定义不同的状态，即采用一个单元中一条位线上的存储材料的电阻值与其互补位线的电阻值的比值的不同来区分不同的存储状态。本专利技术提出的相变存储器的存储单元包含两个选通管和两个相变存储电阻，其中选通管为双极型晶体管。本专利技术提出的多值相变存储器中，每个存储单元中的两个相变材料都可以编程为不同 的阻值状态，利用这两个相变材料阻值之比的不同来区分这个单元作代表的多值状态。本专利技术提出的相变存储器包括两个写驱动电路，对应着为奇数条位线和偶数条位线提 供编程电流，其中奇数条位线与偶数条位线互补。本专利技术提出的相变存储包括一个可以实现7种不同比较的读出放大器。本专利技术提出一种多值相变存储器进行写操作的方法先将一个存储单元内的两个相变 存储电阻都编程为非晶化的最高阻状态，再根据需要在该单元内存入的具体的值来对两个 相变存储电阻分别进行晶化操作至需要的状态。本专利技术提出一种多值相变存储器进行读操作的方法将需要进行读操作的存储单元内 的两个相变存储电阻上的电流分别接至读出放大器的两端，将一个电流值与另一个电流值 的特定倍数进行比较，来确定该单元的存储状态。附图说明图1是已被报道的相变存储电阻的I-V特性曲线。图2是相变材料的电阻值与编写电流幅值的关系(R-I特性)。图3是传统1T1R结构的相变存储器的存储单元及存储阵列示意图。图4是传统2T2R存储单元结构示意图。图5是相变电阻的4态阻值分布示意图。 图6是8态存储下，8种状态对应的阻值比的分布情况。图7是编写和擦除时的4态转换关系。图8是采用本专利技术所提出的以比值为导向的一个相变存储器的具体结构。 图9是可实现7种不同比较的灵敏放大器。 表1是8态存储时，每种状态下的各种比较及输出结果图中标号100是已被报道的相变存储电阻的I-V本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种操作多值相变存储器的方法，其特征为：　以比值为导向来定义不同的状态，即采用一个存储单元中一条位线上的相变存储电阻的阻值与其互补位线的阻值的比值的不同来区分不同的存储状态。

【技术特征摘要】
1、一种操作多值相变存储器的方法，其特征为以比值为导向来定义不同的状态，即采用一个存储单元中一条位线上的相变存储电阻的阻值与其互补位线的阻值的比值的不同来区分不同的存储状态。2、 根据权利要求1所述的相变存储器，其特征在于每个存储单元包含两个选通管 和两个相变存储电阻，其中选通管为双极型晶体管。3、 根据权利要求1所述的多值相变存储器，其特征在于每个存储单元中的两个相 变存储电阻都可以编程为不同的阻值状态，利用这两个相变存储电阻阻值之比的不同来区 分这个存储单元所代表的多值状态。4、 根据权利要求1所述的相变存储器，其特征在于有两个写驱动电路，对应着为奇 数条位线...

【专利技术属性】
技术研发人员：林殷茵，吴雨欣，张佶，薛晓勇，徐乐，胡倍源，廖启宏，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]