一种相变随机存储器制造技术

本发明专利技术公开了一种相变随机存储器，包括相变存储单元阵列、译码器、逻辑控制模块、写入模块、读出模块和输入输出端口控制模块；相变存储单元阵列包括多个相变存储单元，每个相变存储单元由选择元件和相变存储单元组成；写入模块和读出模块适应于相变材料存储特性，译码器和逻辑控制模块能够协调存储器正常工作。本发明专利技术实现了相变随机存储器芯片的电路设计，能正确完成对相变存储单元的随机选择、读出和写入，并且本发明专利技术各个模块电路结构简单实用，性能良好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种非易失性半导体存储器装置，具体涉及一种相变随机存储器。
技术介绍
相变随机存储器(PCRAM)是一种非易失性半导体存储器，当电源供给中断时仍然保存已存储的数据。它利用了相变材料(例如Ge2Sb2Te5)能够在晶态、非晶态之间发生可逆转变的特性，用材料在这两种稳定状态下呈现的不同电阻值来区分相变存储单元的逻辑值。 图1示出了一个存储元件10的结构图，它包括上电极层11、绝缘层12、相变层13和下电极层14，其中相变材料用作根据所产生温度而变化的可变电阻器，它响应于通过相变存储元件的电流在相变材料上所产生的焦耳热。SET电流作用于相变材料，使其转变为低阻晶态；RESET电流作用于相变材料，使其转变为高阻非晶态。其相变层采用了 T型结构，相变层13的小孔内区域为有效相变区。 图2示出了相变存储器件的一个相变存储单元20的电路图。相变存储单元20包括串联在位线BL和地之间的存储元件21、选择元件22。其中，元件21和22的位置可以互换。具体实施时，选择元件可采用NM0S晶体管N1，其具有连接到字线WL的栅极。当向字线WL施加选通高电平时，Nl导通，位线BL上的电流流经存储元件21，对其进行读写操作。 图3示出了常规相变存储器件的另一相变存储单元30的电路图，相变存储单元30包括串联在位线BL和字线WL之间的存储元件31、选择元件32。具体实施时，可利用二极管作为选择元件。PNP型双极型晶体管基极连接字线WL，其发射结作为选择二极管。当PNP管的发射结上正向电压差超过其阈值电压时，发射结导通，存储元件31通过位线接收电流。 图4示出了对存储元件进行读写期间的电流及温度特性图。41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"O"。 42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1\、低于熔点1~2，其变为晶态，存储数据"1"。 43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。 相变存储器芯片组成类似于传统半导体随机存储器，包括写入单元、读出单元、逻辑控制单元、地址译码器、输入输出缓冲、存储阵列。 完全晶态和完全非晶态相变材料的电阻率差值高达几个数量级，给读出和测试造成极大困难，故写入时要通过调节SET或RESET电流的幅值和脉宽来控制相变材料的晶化程度。 相变材料的晶化不是一个突变过程，故文中所提到的"晶态"和"非晶态"是一个相对概念，指两种状态的晶化程度不同，并不指完全的晶化和非晶化。写入电流脉冲的幅值和持续时间的改变，或是所选用的相变材料的改变，都会造成"0"和"1"状态的电阻值的较6大变化。 一种"0"、"1"值电阻范围可调的读出放大器可以广泛运用于相变随机存储器中。 外围电路的制造是基于集成电路的CMOS制造工艺，可以直接将电路数据送往 foundry流片。而存储元件的制造涉及一种新材料相变材料，需要在外围电路基础上增加 若干步常规光刻、镀膜工艺制成。 一块完整的相变随机存储器芯片要保证这两步的有效结合。 实现外围电路中的各个单元模块及与其同时制造的存储阵列的选择元件、存储阵 列中的存储元件这两者的有效结合，制造完整的相变随机存储器芯片，正确实现其存储位 的随机选择与正确读写，是一个有待进一步完善的新课题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种相变随机存储器，该存储器能够实现相变存储单元的 随机选择，以及存储元件的电阻值和电平信号间的有效可逆转换。 本专利技术提供的相变随机存储器，其特征在于它包括相变存储单元阵列、字线译码 器、逻辑控制模块、写入模块、读出模块和输入输出端口控制模块； 逻辑控制模块分别接收来自于外部提供的芯片选通信号和芯片读写信号，经电路 转换得到写使能信号和读使能信号，并将写使能信号输出至写入模块，将读使能信号输出 至输入输出端口控制模块； 字线译码器用于实现读写单元的选择；它分别接收外部的芯片选通信号和字线 地址，将字线地址进行译码处理，通过选通的字线将字线选通信号输出至相变存储单元阵 列； 令m为正整数，表示位线地址的位数，n为正整数，表示字线地址的位数，相变存储 单元阵列包括2mX 2n个相变存储单元；所述选通的字线上的2m位相变存储单元作为选中的 写单元或读单元，； 输入瑜出端口控制模块根据接收到的读使能信号确定I/0接口的信号流动方向， 当读使能信号为低电平时，通过I/O接口接收来自于外部的带有存储信息的信号Din，并输 出至写入模块；当读使能信号为高电平时，接收读出模块输出的带有存储阵列中存储信息的信号Dout ; 写入模块的二个接收端分别与外部的第一、第二偏置电阻相连，写入模块根据写 使能信号，二个偏置电阻的电阻值，以及外部的带有存储信息的信号Din，产生幅值和脉宽 不同的电流，并将该电流输入至所选中的写单元； 读出模块分别与外部的第三偏置电阻和相变存储单元阵列连接，将选中的读单 元的电阻值转换成电平信号输出，转换后的电平信号为带有存储阵列中存储信息的信号 Dout。 本专利技术存储器的相变存储单元阵列，以新型相变材料的电阻特性为基础制成存储 元件；逻辑控制单元，协调读写逻辑；译码器；写入模块，产生幅值和脉宽可调的电流；读出 模块，其中，对应输出"0"和"1"逻辑的相变存储单元电阻范围可调；输入输出端口控制模 块，决定数据端口处数据传输方向。本专利技术存储器能够实现相变存储单元的随机选择，以及 电阻值和电平信号间的有效可逆转换，并且各个模块电路结构简单实用，读出延时小，性能 良好。附图说明 图1为存储元件结构示意图。图2为相变随机存储器的相变存储单元的示例的电路图。 图3为相变随机存储器的相变存储单元的另一个示例的电路图。 图4为RESET电流、SET电流、读出电流工作期间的温度特性示意图。 图5为根据本专利技术相变随机存储器的一种结构示意图；其中图5(a)为仅含有字线译码器的单译码读写方式；图5(b)为含有字线译码器和位线译码器的双译码读写方式； 图6为根据本专利技术实施例的如图5所示的逻辑控制模块的电路图。 图7(a)为根据本专利技术实施例的如图5所示为写入模块示意图，图7(b)为写入单元电路图。 图8(a)为根据本专利技术实施例的如图5所示为读出模块示意图，图8(b)为读出单 元电路图。 图9为读出单元能识别为"0"的最小电阻和能识别为"l"的最大电阻随偏置电阻 Rbias_Sa变化的关系图。 图10(a)为根据本专利技术实施例的如图5所示的输入输出端口控制模块，图10(b)为输入输出控制单元电路图。 图11为相变存储单元阵列示意图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。 如图5(a)所示，本专利技术提供的相变随机存储器包括相变存储单元阵列51、字线译 码器52、逻辑控制模块53、写入模块54、读出模块55、输入输出端口控制模块56。 逻辑控制模块53分别接收来自于外部的芯片选通信号CSB和芯片读写信号RD_ WRL，经电路转换得到写使能信号WRP和读使能信号RDP，并将写使能信号WRP输出至写入模 块54，将读使能信号RDP输出至输入输出端口控制模块56。 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种相变随机存储器，其特征在于：它包括相变存储单元阵列（５１）、字线译码器（５２）、逻辑控制模块（５３）、写入模块（５４）、读出模块（５５）和输入输出端口控制模块（５６）；逻辑控制模块（５３）分别接收来自于外部提供的芯片选通信号和芯片读写信号，经电路转换得到写使能信号和读使能信号，并将写使能信号输出至写入模块（５４），将读使能信号输出至输入输出端口控制模块（５６）；字线译码器（５２）用于实现读写单元的选择；它分别接收外部的芯片选通信号和字线地址，将字线地址进行译码处理，通过选通的字线将字线选通信号输出至相变存储单元阵列（５１）；令ｍ为正整数，表示位线地址的位数，ｎ为正整数，表示字线地址的位数，相变存储单元阵列（５１）包括２↑［ｍ］×２↑［ｎ］个相变存储单元，各相变存储单元中的存储元件由相变材料制成；所述选通的字线上的２↑［ｍ］位相变存储单元作为选中的写单元或读单元，；输入输出端口控制模块（５６）根据接收到的读使能信号确定Ｉ／Ｏ接口的信号流动方向，当读使能信号为低电平时，通过Ｉ／Ｏ接口接收来自于外部的带有存储信息的信号（Ｄｉｎ），并输出至写入模块（５４）；当读使能信号为高电平时，接收读出模块（５５）输出的带有存储阵列中存储信息的信号（Ｄｏｕｔ）；写入模块（５４）的二个接收端分别与外部的第一、第二偏置电阻相连，写入模块（５４）根据写使能信号，二个偏置电阻的电阻值，以及外部的带有存储信息的信号（Ｄｉｎ），产生幅值和脉宽不同的电流，并将该电流输入至所选中的写单元；读出模块（５５）分别与外部的第三偏置电阻和相变存储单元阵列（５１）连接，将选中的读单元的电阻值转换成电平信号输出，转换后的电平信号为带有存储阵列中存储信息的信号（Ｄｏｕｔ）。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：缪向水，王嘉慧，韩武豪，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]