使用相变材料存储器元件的非易失性内容可寻址存储器制造技术

一种非易失性内容可寻址存储器单元包括：第一相变材料元件，所述第一相变材料元件具有连接到匹配线的一端；第一晶体管，所述第一晶体管具有连接到字线的栅极、连接到真位－读－写－搜索－线的源极、以及连接到所述第一相变材料元件的另一端的漏极；第二相变材料元件，所述第二相变材料元件具有连接到所述匹配线的一端；以及第二晶体管，所述第二晶体管具有连接到字线的栅极、连接到互补位－读－写－搜索－线的源极、以及连接到所述第二相变材料元件的另一端的漏极。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术通常涉及存储器器件以及，更具体而言，涉及集成电路内容可 寻址存储器器件。
技术介绍
随机存取存储器(RAM)使数据与地址相关。在当今的计算机中，传 统上使用易失性RAM例如动态RAM ( DRAM )和静态RAM ( SRAM )。 然而，随着无线移动计算系统变得更加流行，目前在存储器领域中，大量 的研究和开发都集中在新的非易失性存储器上。目前公知的重要的非易失 性RAM为使用非线性电容的铁电RAM (FeRAM)，其中该非线性电容 归因于钛锆酸铅(PZT)材料的不同的极化，使用随磁极性改变的磁阻的 磁RAM (MRAM)，以及使用在有序(传导的)相或无序(有阻力的) 相中改变的电阻的^L属元素化物(Chalcogenide)相变材料。通信技术的进展导致使用内容可寻址存储器器件(CAM)的应用的数 量日益增加。该CAM使数据与地址相关。在CAM的输入上提交数据， 该CAM搜索用于CAM中存储的那些数据的匹配。当找到匹配时，CAM 识别数据的地址位置。大部分现有的CAM产品是基于SRAM或DRAM单元的易失性技术。 图1示出了基于二进制CAM单元10的典型的SRAM。两个反向器INVl 和INV2形成了在节点Nl和N2上存储真与互补数据的锁存器。在写模式 中，通过位线BL和bBL经负沟道金属氧化物半导体(NMOS)晶体管 T1和T2将数据写入到CAM单元。在搜索模式的预充电相中，匹配线(ML) 被预充电至高。在搜索模式的评估相中，通过搜索线SL和bSL将提交到 CAM的输入数据传递到CAM单元。当存在匹配时，T3和T4的路径中的两个栅极以及在T5和T6的路径 中的两个栅极具有不同的极性，以便在每一个路径中的晶体管中的一个关 断。这样，在匹配线与下沉(sink)线之间不存在流动通过匹配的CAM 单元的电;危。另一方面，当存在失配时，两个路径中的一个路径将具有开启的两个 晶体管从而允许电流在匹配线与下沉线之间流动。通常将下沉线连接到地， 因此当失配发生时将放电匹配线。在16比特宽CAM的实例中，将每一个 匹配线连接到所有16个CAM单元10。当CAM单元中的任何一个呈现 失配时，匹配线将^皮;改电到0。如果所有16个单元匹配，匹配线将保持在 预充电的高电平(level)从而找到匹配。虽然基于SRAM的CAM主导了今天的技术，但是其是当关掉功率时 丢失数据的易失性技术。在将来的计算应用中，具体而言对于移动应用， 非易失性技术将可能普及。存在一些公知的非易失性CAM方法。美国专利]\0.5，111，427描述了 一种具有电可擦的可编程只读存储器(EEPROM )单元的非易失性CAM。 与易失性CAM相比，基于CAM的EEPROM需要更慢的編程时间。最 近，美国专利No.6，191,973号和6，269，016号描述了 一种基于磁RAM单元 的非易失性CAM。这样的单元遇到了更昂贵的磁性层的沉积，以及需要 敏感的感测小的电阻改变。例如，在MRAM单元中用于1状态和0状 态的典型的磁阻改变为20% -30%,同时最高的报道的试验室数据达到 100%。因此，存在对改善的非易失性CAM系统的需要。
技术实现思路
通过使用相变材料的CAM单元和系统克服或緩解了现有技术的上述 讨论的以及其它的缺陷和不足。例如，在本专利技术的一个方面中， 一种非易失性内容可寻址存储器单元 包括第一相变材料元件，所述第一相变材料元件具有连接到匹配线的一端；第一晶体管，所述第一晶体管具有连接到字线的栅极、连接到真位-读-写-搜索-线的源极、以及连接到所述第一相变材料元件的另一端的 漏极；第二相变材料元件，所述第二相变材料元件具有连接到所述匹配线 的一端；以及第二晶体管，所述第二晶体管具有连接到字线的^册极、连接 到互补位-读-写-搜索-线的源极、以及连接到所述第二相变材料元件 的另一端的漏极。相变材料的实例是疏属元素化物合金、GexSbyTez。与在基于磁阻的存 储器元件中所使用的材料相比，相变材料显示了至少数量级的电阻的改变。有利地，提供相变材料(PCM)元件用于非易失性(NV)存储器。 所述元件可以操作在内容可寻址存储器(CAM )模式中和随机存取存储器 (RAM)模式中。示例性的实施例提供了用于NV-CAM阵列和外围电 路的非易失性内容可寻址存储器单元、系统结构和操作方法。所述外围电 路支持所述CAM模式中的预充电和搜索操作。示例性的结构还支持RAM 模式中的字线激活、读和写操作。更进一步，本专利技术的示例性的PCM元 件还具有位阻断能力和字屏蔽能力。通过结合附图来阅读的其示例性实施例的下列详细的描述，本专利技术的 这些和其它的目标、特征和优点将变得显而易见。附图说明图l是示例了基于SRAM的CAM的图； 图2是示例了 PCM RAM阵列的图3是根据本专利技术的实施例，示例了 PCM - RAM单元的图4是根据本专利技术的实施例，示例了 PCM-RAM阵列和外围模块的图5是根据本专利技术的实施例，示例了读、写和搜索线驱动器的图；以及图6是根据本专利技术的实施例的匹配线控制模块。具体实施例方式在美国专利No.5，296,716中公开了使用相变材料(PCM )例如疏属元 素化物的非易失性存储器(PCM),在此引用其公开的内容作为参考。术 语硫属元素(Chalcogen )涉及元素周期表的VI族元素。/琉属元素化物涉 及包含这些元素中的至少一种的材料例如锗、锑、碲等的合金。硫属元素 化物相变材料，例如Ge2Sb2Te5,可以;汰编程或重新编程为大范围的电阻 状态。在基于PCM的存储器中，当将电脉冲施加到硫属元素化物电阻时， 通过热诱导的结构相变获得数据编程。在写操作中，高电流、短脉冲将导 致具有高电阻的无定形相(或称为复位状态)。较低的和较长的电流脉 沖将导致具有低电阻的单晶相(或称为低电阻置位状态)。使用不造成 任何相变的较低的电流进行读操作。在两个状态之间的电阻的比率可以大 于1，000倍，这提供了更高的感测裕度。通过进一步的实例，在此引用其公开内容作为参考的美国专利 No.6，885，602公开了当将电流施加到PCM以产生大于或等于其融化温度 的温度然后迅速冷却PCM， PCM变为无定形并且数据l，，被记录在PCM 中。在该情况下，称PCM已经进入复位，，状态。如果以高于或等于结晶 温度的温度加热PCM，保持给定的时间，然后冷却，PCM变为单晶并且 数据O，，被保记录在PCM中。在该情况下，称PCM进入了置位状态。 当将外部电流施加到PCM时，PCM的电阻改变。当PCM的电阻改变时， 电压改变，从而允许表达二进制值1和0。在读操作中，选择位线和字 线以选择具体的存储器单元。图2示出了相变材料(PCM)随机存取存储器(RAM)阵列20的典 型实施，其是PCM RAM单元21的阵列。该阵列包括多个字线和多个位 线，以及单元的二维矩阵。PCM-RAM单元21包括U)相变材料22， 用小圆圈表示，具有连接到电压源VA的一端；(2 )具有连接到字线(WL ) 24的栅极、分别连接到位线(BL ) 25和相变材料22的源极和漏极的n型 场效应晶体管(nFET) 23。在写和读操作中仅仅激活阵列中的一个字线。在写操作中，沿位线驱动电流脉沖以基于脉冲强度和长度编程本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非易失性内容可寻址存储器单元，包括：　　　　第一相变材料元件，所述第一相变材料元件具有连接到匹配线的一端；　　　　第一晶体管，所述第一晶体管具有连接到字线的栅极、连接到真位－读－写－搜索－线的源极、以及连接到所述第一相变材料元件的另一端的漏极；　　　　第二相变材料元件，所述第二相变材料元件具有连接到所述匹配线的一端；以及　　　　第二晶体管，所述第二晶体管具有连接到字线的栅极、连接到互补位－读－写－搜索－线的源极、以及连接到所述第二相变材料元件的另一端的漏极。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2005-6-30 11/172,4731.一种非易失性内容可寻址存储器单元，包括第一相变材料元件，所述第一相变材料元件具有连接到匹配线的一端；第一晶体管，所述第一晶体管具有连接到字线的栅极、连接到真位-读-写-搜索-线的源极、以及连接到所述第一相变材料元件的另一端的漏极；第二相变材料元件，所述第二相变材料元件具有连接到所述匹配线的一端；以及第二晶体管，所述第二晶体管具有连接到字线的栅极、连接到互补位-读-写-搜索-线的源极、以及连接到所述第二相变材料元件的另一端的漏极。2. 根据权利要求1的存储器单元，其中所述第一相变材料元件和第二 相变材料元件每一个包括硫属元素化物。3. 根据权利要求l的存储器单元，其中所述第一相变材料元件和笫二 相变材料元件每一个包括包含锗、锑和碲中的至少一种的合金。4. 根据权利要求1的存储器单元，其中所述第一相变材料元件和第二 相变材料元件每一个包括Ge2Sb2Te5。5. 根据权利要求l的存储器单元，其中所述第一晶体管和所述第二晶 体管每一个包括n沟道场效应晶体管。6. —种非易失性内容可寻址存储器系统，包括多个字线； 多个匹配线；多个真位-读-写-搜索-线； 多个互补位-读-写-搜索-线；以及非易失性内容可寻址存储器单元的阵列，其中所迷存储器单元中的至 少一个包括第 一相变材料元件，所迷第 一相变材料元件具有连接到所述多个匹配线中的一个的一端；第一晶体管，所迷第一晶体管具有连接到所述多个字线中的一个 的栅极、连接到所述多个真位-读-写-搜索-线中的一个的源极、以及 连接到所述第 一相变材料元件的另 一端的漏极；第二相变材料元件，所述第二相变材料元件具有连接到所述匹配 线的一端；以及第二晶体...

【专利技术属性】
技术研发人员：LLC苏，BL季，CH兰，HSP翁，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]