以比值为状态导向的存储方式及电路制造技术

本发明专利技术属于半导体存储器技术领域，具体为存储器中实现多态存储的一种独特的存储方式及其相关电路。这种独特的多态存储方式，基于一种特定的元器件。该器件具有编写为多种电阻值（或电荷值等）的能力，例如：相变存储器中的相变电阻，以及铁电存储器中的金属－铁电－绝缘体－半导体结构等。而实现这种存储方式时，存储器使用的单元电路也具有特定的结构要求。在这种结构下实现的独特多态存储方式，兼有抗干扰能力强和存储密度高的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电编写存储单元和阵列设计
具体涉及一种独特的多态存储方式及其相关电路。这种存储方式，基于一种特定的、具有编写为多种电阻值(或电荷值等)能力的元器件，例如相变存储器中的相变电阻，以及铁电存储器中的金属-铁电-绝缘体-半导体结构等。
技术介绍
目前计算机上所使用的存储器主要有3种，一种是大容量、慢速、非挥发的存储器件，诸如磁盘和便携式闪存。另一种是速度较前一种更快且更贵的挥发性存储器件，动态随机存储器，第三种是速度更快、价格更高、挥发性存储器静态随机存储器。针对上述几种存储器的不足，人们希望能找到一种高存储密度，低功耗，电操作，可直接编写，高速实现状态转换，高度稳定的非挥发存储器。在此过程中，相变存储器(Phase Change Memory，PCM)脱颖而出，以其高密度，结构简单，直接可编写，非挥发和与现有CMOS工艺高度兼容的特点成为有希望取代目前多种存储器而得到广泛应用的候选者之一。相变存储器是基于相变材料可在晶态和非晶态之间相互转化而引起电阻差异的特性而产生的。且由于这些不同的状态的差异在于原子排列方式不同，因而每种状态的信息在断电后可以保存，因而利用相变材料制成的存储器将具有非挥发特性。这些效应在Ovshinsky的(1966年9月6日)美国专利3,271,591号和(1970年9月22日)美国专利3,530,441号中提到。这里将这些专利中的发现合称为“Ovshinsky专利”。如同“Ovshinsky专利”中所说的，在外加的编写激励下，相变材料可以在两种结构/状态之间转换。一种状态下，材料有很强的非晶化倾向，原子排列有序性很差，电阻率高；另一种状态下，材料有较强的晶化倾向，原子排列较为有序，电阻率低。相变材料不仅可以在非晶态和多晶态之间转换，还可以在适当的编写脉冲下处于不同的、彼此明显有差别的、介于完整非晶态和完整晶态之间的多种状态，而这些中间状态对应的电阻将介于完整非晶电阻和完整多晶电阻之间。这就意味着利用相变材料可以制作出多态存储的非挥发存储器。在相变中，将相变材料由高阻值的非晶态(RESET状态)转化为低阻值多晶态(SET状态)的单一信号脉冲称之为“置位脉冲”(SET pulse)；将相变材料由低阻值的多晶态转化为高阻值非晶态的单一信号脉冲称之为“复位脉冲(RESET pulse)”。由于相变材料在发生相转换时实质是材料的原子排列和晶格结构发生了变化，因而相对外界干扰具有很好的稳定性。同时由于相变材料可以直接编写(无需擦除)，因而在上述几方面都优于快闪存储器(Flash)。同时相变存储器与CMOS工艺高度兼容(在CMOS后端工艺中制作)，且结构简单，面积小，有利于获得很高的存储密度。除了以上特点，相变存储器还有一个最重要的特性器件易于缩小，且尺寸缩小后编写电流和编写时间都降同步下降，从而实现低功耗和高速存储。总之，相变存储器具有许多优点，如低成本、高密度、易于制作、与现有的CMOS工艺高度兼容、可直接编写、低注入能量、可实现多态存储等等。正鉴于此，相变存储器目前已经成为人们的关注焦点。目前已有的相变存储器设计方案中，主要有0T1R(存储单元仅为一相变电阻，如图1所示)、1T1R(存储单元为1个晶体管和1个相变电阻，如图2所示)、2T2R(存储单元有2个晶体管和2个相变电阻，如图3所示)的存储单元。目前基于这些单元结构的设计，都基于双态的(即二进制“0”，“1”)存储。然而，在相变存储器得到广泛应用之前，仍有一些问题有待解决第一个问题是材料的非晶态和多晶态电阻阻值的分布问题。在相变存储器试图通过缩小相变材料本身以达到提高相转换速度和降低功耗的同时，小尺寸带来的不匹配和其他外界干扰误差等将使得同一个芯片上的相变电阻值产生很大的差异。这将大大降低存储器正常工作的可靠性。同一芯片上，不同状态、不同位置的单元中，电阻的阻值范围若出现交叠，那么从理论上讲，整个芯片上的存储阵列将无法使用统一的外界参考源以供输出端灵敏放大器使用，信号的区分将成为一个严重的问题。第二，材料的电阻随时间推移的保持特性。目前有文献报道，相变材料的电阻会随着时间的推移而发生一定的漂移，同时由于各种不同的应用场合，外界环境对材料的干扰也可以会对阻值造成影响，因而相变存储器一方面材料上要尽量改善保持特性，另一方面要在电路的结构和设计上考虑材料漂移的影响。对于目前已有的0T1R、1T1R和2T2R单元来说，两个问题对于0T1R和1T1R单元都存在，而且随着特征尺寸的缩小，尤其是第一个问题会因误差的存在而更加突出。相比之下，2T2R单元通过单元内部的比较而成功的解决了第一个问题由于存储单元是采用临近的两个1T1R结构作比较，两条位线的互补信号采用差分输出模式，因而对于工艺波动和各种外界干扰有很强的抗干扰能力。而对于第二个问题，由于2T2R单元是互补的存储1bit信息于2个电阻器件上，因而抗干扰和漂移能力相对1T1R和0T1R好一些。2T2R的主要问题，在于单元结构较复杂，降低了存储密度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种可提高结构单元存储密度、简化多值编写时电路复杂度的多态存储方式及其相关电路。本专利技术提出的存储结构单元的多态存储方式，以下述存储单元为基础每个存储单元内有至少2个起信息存储作用的元器件，而且该元器件具有多值编写能力，例如2T2R单元中的2个电阻(R)，用这2个元器件的某种物理量(如电阻、电荷、电压等)的比值(而非绝对值)作为划分和区分不同存储状态的唯一依据；将设置的外围输出端灵敏放大器中不同的MOS管的宽长比的比值作为边界数，将上述2个元器件的某种物理量的比值的整个变化范围划分为多个区间，则每个区间代表一个存储状态。划分出的区间数目n，即为每个单元所存储信息的状态数目。本专利技术中，所述具有多值编写能力的元器件，如相变存储器中的相变电阻，又如铁电存储器中的金属-铁电-绝缘体-半导体结构等。本专利技术提出的是一种新式的多态存储方式，这种存储方式以2T2R的电路存储单元为基础，基于一种以比值为导向的状态定义而实现多态的存储。其状态的定义和区分由配套的外围输出灵敏放大器决定，且灵活可调。上述提到的2T2R存储单元结构，在Y.N.Hwang等的文章″Full integration and ReliabilityEvaluation of Phase-change RAM Based on 0.24um-CMOS technologies″(Symposium on VLSITech Digest of Tech papers，2003)中已经有所提及。然而本专利技术是利用2T2R存储单元结构实现高抗干扰能力的多态存储，而非该文中的2态传统存储方式。以电阻(或其他物理量，如电压、电荷)之比为导向的状态定义，在2T2R存储结构下，第一次将多态存储方式和高度的抗干扰能力结合起来。这是本专利技术的核心内容。以比值为导向的状态定义，首先要求每个存储单元内有至少2个起信息存储作用的元器件，如2T2R中的2个电阻(R)。其次，这2个元器件的某种物理量(如电阻、电压或者电荷等等)的比值是划分和区分不同存储状态的唯一根据。在该比值的变化范围内，根据一定的边界数，将整个变化范围划分为多个区间。至于区间划分的依据——边界数的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种存储结构单元的多态存储方式，其特征在于以下述存储单元为基础：每个存储单元内有至少２个起信息存储作用的元器件，而且该元器件具有多值编写能力，用这２个元器件的某种物理量的比值作为划分和区分不同存储状态的唯一依据；将设置的外围输出端灵敏放大器中不同的ＭＯＳ的比值作为边界数，将上述２个元器件的某种物理量的比值的整个变化范围划分为多个区间，则每个区间代表一个存储状态。

【技术特征摘要】
1.一种存储结构单元的多态存储方式，其特征在于以下述存储单元为基础每个存储单元内有至少2个起信息存储作用的元器件，而且该元器件具有多值编写能力，用这2个元器件的某种物理量的比值作为划分和区分不同存储状态的唯一依据；将设置的外围输出端灵敏放大器中不同的MOS的比值作为边界数，将上述2个元...

【专利技术属性】
技术研发人员：林殷茵，洪洋，汤庭鳌，陈邦明，
申请(专利权)人：复旦大学，硅存储技术公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]