專利名稱：：使用相變材料存儲器元件的非易失性內容可尋址存儲器的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明通常涉及存儲器器件以及，更具體而言，涉及集成電路內容可尋址存儲器器件。
背景技術：
：隨機存取存儲器(RAM)使數(shù)據(jù)與地址相關。在當今的計算機中，傳統(tǒng)上使用易失性RAM例如動態(tài)RAM(DRAM)和靜態(tài)RAM(SRAM)。然而，隨著無線移動計算系統(tǒng)變得更加流行，目前在存儲器領域中，大量的研究和開發(fā)都集中在新的非易失性存儲器上。目前公知的重要的非易失性RAM為使用非線性電容的鐵電RAM(FeRAM)，其中該非線性電容歸因于鈦鋯酸鉛(PZT)材料的不同的極化，使用隨磁極性改變的磁阻的磁RAM(MRAM)，以及使用在有序(傳導的)相或無序(有阻力的)相中改變的電阻的^L屬元素化物(Chalcogenide)相變材料。通信技術的進展導致使用內容可尋址存儲器器件(CAM)的應用的數(shù)量日益增加。該CAM使數(shù)據(jù)與地址相關。在CAM的輸入上提交數(shù)據(jù)，該CAM搜索用于CAM中存儲的那些數(shù)據(jù)的匹配。當找到匹配時，CAM識別數(shù)據(jù)的地址位置。大部分現(xiàn)有的CAM產(chǎn)品是基于SRAM或DRAM單元的易失性技術。圖1示出了基于二進制CAM單元10的典型的SRAM。兩個反向器INVl和INV2形成了在節(jié)點Nl和N2上存儲真與互補數(shù)據(jù)的鎖存器。在寫模式中，通過位線BL和bBL經(jīng)負溝道金屬氧化物半導體(NMOS)晶體管T1和T2將數(shù)據(jù)寫入到CAM單元。在搜索模式的預充電相中，匹配線(ML)被預充電至高。在搜索模式的評估相中，通過搜索線SL和bSL將提交到CAM的輸入數(shù)據(jù)傳遞到CAM單元。當存在匹配時，T3和T4的路徑中的兩個柵極以及在T5和T6的路徑中的兩個柵極具有不同的極性，以便在每一個路徑中的晶體管中的一個關斷。這樣，在匹配線與下沉(sink)線之間不存在流動通過匹配的CAM單元的電;危。另一方面，當存在失配時，兩個路徑中的一個路徑將具有開啟的兩個晶體管從而允許電流在匹配線與下沉線之間流動。通常將下沉線連接到地，因此當失配發(fā)生時將放電匹配線。在16比特寬CAM的實例中，將每一個匹配線連接到所有16個CAM單元10。當CAM單元中的任何一個呈現(xiàn)失配時，匹配線將^皮;改電到0。如果所有16個單元匹配，匹配線將保持在預充電的高電平(level)從而找到匹配。雖然基于SRAM的CAM主導了今天的技術，但是其是當關掉功率時丟失數(shù)據(jù)的易失性技術。在將來的計算應用中，具體而言對于移動應用，非易失性技術將可能普及。存在一些公知的非易失性CAM方法。美國專利]\0.5，111，427描述了一種具有電可擦的可編程只讀存儲器(EEPROM)單元的非易失性CAM。與易失性CAM相比，基于CAM的EEPROM需要更慢的編程時間。最近，美國專利No.6，191,973號和6，269，016號描述了一種基于磁RAM單元的非易失性CAM。這樣的單元遇到了更昂貴的磁性層的沉積，以及需要敏感的感測小的電阻改變。例如，在MRAM單元中用于"1"狀態(tài)和"0"狀態(tài)的典型的磁阻改變?yōu)?0%-30%,同時最高的報道的試驗室數(shù)據(jù)達到100%。因此，存在對改善的非易失性CAM系統(tǒng)的需要。
發(fā)明內容通過使用相變材料的CAM單元和系統(tǒng)克服或緩解了現(xiàn)有技術的上述討論的以及其它的缺陷和不足。例如，在本發(fā)明的一個方面中，一種非易失性內容可尋址存儲器單元包括第一相變材料元件，所述第一相變材料元件具有連接到匹配線的一端；第一晶體管，所述第一晶體管具有連接到字線的柵極、連接到真位-讀-寫-搜索-線的源極、以及連接到所述第一相變材料元件的另一端的漏極；第二相變材料元件，所述第二相變材料元件具有連接到所述匹配線的一端；以及第二晶體管，所述第二晶體管具有連接到字線的^冊極、連接到互補位-讀-寫-搜索-線的源極、以及連接到所述第二相變材料元件的另一端的漏極。相變材料的實例是疏屬元素化物合金、GexSbyTez。與在基于磁阻的存儲器元件中所使用的材料相比，相變材料顯示了至少數(shù)量級的電阻的改變。有利地，提供相變材料(PCM)元件用于非易失性(NV)存儲器。所述元件可以操作在內容可尋址存儲器(CAM)模式中和隨機存取存儲器(RAM)模式中。示例性的實施例提供了用于NV-CAM陣列和外圍電路的非易失性內容可尋址存儲器單元、系統(tǒng)結構和操作方法。所述外圍電路支持所述CAM模式中的預充電和搜索操作。示例性的結構還支持RAM模式中的字線激活、讀和寫操作。更進一步，本發(fā)明的示例性的PCM元件還具有位阻斷能力和字屏蔽能力。通過結合附圖來閱讀的其示例性實施例的下列詳細的描述，本發(fā)明的這些和其它的目標、特征和優(yōu)點將變得顯而易見。圖l是示例了基于SRAM的CAM的圖；圖2是示例了PCMRAM陣列的圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例，示例了PCM-RAM單元的圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例，示例了PCM-RAM陣列和外圍模塊的圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施例，示例了讀、寫和搜索線驅動器的圖；以及圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施例的匹配線控制模塊。具體實施例方式在美國專利No.5，296,716中公開了使用相變材料(PCM)例如疏屬元素化物的非易失性存儲器(PCM),在此引用其公開的內容作為參考。術語"硫屬元素(Chalcogen)"涉及元素周期表的VI族元素。/琉屬元素化物涉及包含這些元素中的至少一種的材料例如鍺、銻、碲等的合金。硫屬元素化物相變材料，例如Ge2Sb2Te5,可以;汰編程或重新編程為大范圍的電阻狀態(tài)。在基于PCM的存儲器中，當將電脈沖施加到硫屬元素化物電阻時，通過熱誘導的結構相變獲得數(shù)據(jù)編程。在寫操作中，高電流、短脈沖將導致具有高電阻的無定形相(或稱為"復位"狀態(tài))。較低的和較長的電流脈沖將導致具有低電阻的單晶相(或稱為低電阻"置位"狀態(tài))。使用不造成任何相變的較低的電流進行讀操作。在兩個狀態(tài)之間的電阻的比率可以大于1，000倍，這提供了更高的感測裕度。通過進一步的實例，在此引用其公開內容作為參考的美國專利No.6，885，602公開了當將電流施加到PCM以產(chǎn)生大于或等于其融化溫度的溫度然后迅速冷卻PCM，PCM變?yōu)闊o定形并且數(shù)據(jù)"l，，被記錄在PCM中。在該情況下，稱PCM已經(jīng)進入"復位，，狀態(tài)。如果以高于或等于結晶溫度的溫度加熱PCM，保持給定的時間，然后冷卻，PCM變?yōu)閱尉Р⑶覕?shù)據(jù)"O，，被保記錄在PCM中。在該情況下，稱PCM進入了"置位"狀態(tài)。當將外部電流施加到PCM時，PCM的電阻改變。當PCM的電阻改變時，電壓改變，從而允許表達二進制值"1"和"0"。在讀操作中，選擇位線和字線以選擇具體的存儲器單元。圖2示出了相變材料(PCM)隨機存取存儲器(RAM)陣列20的典型實施，其是PCMRAM單元21的陣列。該陣列包括多個字線和多個位線，以及單元的二維矩陣。PCM-RAM單元21包括U)相變材料22，用小圓圈表示，具有連接到電壓源VA的一端；(2)具有連接到字線(WL)24的柵極、分別連接到位線(BL)25和相變材料22的源極和漏極的n型場效應晶體管(nFET)23。在寫和讀操作中僅僅激活陣列中的一個字線。在寫操作中，沿位線驅動電流脈沖以基于脈沖強度和長度編程1和0。在讀操作中，沿位線發(fā)送低于闊值水平(用于相變)的電流脈沖，并且使用感測放大器。根據(jù)本發(fā)明的原理，提供了使用相變材料(PCM)的內容可尋址存儲器(CAM)。該相變材料可尋址存儲器(PCM-CAM)是包括PCM-CAM單元的陣列、以及用于內容可尋址存儲器(CAM)操作和隨積存取存儲器(RAM)操作的外圍電路的系統(tǒng)。圖3示出了相變材料內容可尋址存儲器(PCM-CAM)單元30的示例性實施例。PCM-CAM單元30包括(1)用小圓圏表示的第一相變材料元件32，具有連接到匹配線(ML)31的一端；(2)第一晶體管(例如，n溝道場效應晶體管)33，其具有連接到字線(WL)34的柵極、分別連接到真位-讀-寫_搜索-線(BSL)35以及第一相變材料元件32的源極和漏極；(3)用小圓圏表示的第二相變材料元件32b，具有連接到匹配線(ML)31的一端；(4)第二晶體管(例如，n溝道場效應晶體管)33b，其具有連接到字線(WL)34的柵極、分別連接到互補位-讀-寫-搜索-線(BSL)35b和第二相變材料元件32b的源極和漏極。表1描述了在RAM模式中的讀和寫操作，同時表2描述了在CAM模式中的預充電和搜索操作。RAM模式表l在RAM模式中的寫和讀操作<table><row><column>-</column><column>WL</column><column>ML</column><column>BSL</column><column>數(shù)據(jù)(32)</column><column>bBSL</column><column>b數(shù)據(jù)(32b)</column></row><row><column>寫l</column><column>高</column><column>VA</column><column>I復位</column><column>1(高R)</column><column>I置位</column><column>0(低R)</column></row><row><column>寫0</column><column>高</column><column>VA</column><column>I置位</column><column>0(低R)</column><column>I復位</column><column>1(高R)</column></row><row><column>讀</column><column>高</column><column>VA</column><column>I讀</column><column>1/0</column><column>I讀</column><column>0/1</column></row><table>這里用復位狀態(tài)(高電阻)代表"1"并用置位狀態(tài)(低電阻)代表"0"。對應的脈沖電流為I復位>I置位>I讀。CAM模式表2在CAM模式中的預充電和搜索操作<table><row><column></column><column>WL</column><column>BSL</column><column>數(shù)據(jù)(32)</column><column>bBSL</column><column>b數(shù)據(jù)(32b)</column><column>ML</column></row><row><column>預充電</column><column>高</column><column>高</column><column>1/0</column><column>高</column><column>0/1</column><column>高</column></row><row><column>搜索"0"&匹配</column><column>高</column><column>浮動，弱高</column><column>0(低R)</column><column>低</column><column>1(高R)</column><column>高</column></row><row><column>搜索"0，，&失配</column><column>高</column><column>浮動，弱高</column><column>1(高R)</column><column>低</column><column>0(低R)</column><column>低</column></row><row><column>搜索"1"&匹配</column><column>高</column><column>低</column><column>0(低R)</column><column>浮動，弱高</column><column>1(高R)</column><column>高</column></row><row><column>搜索"1"&失配</column><column>高</column><column>低</column><column>1(高R)</column><column>浮動，弱高</column><column>0(低R)</column><column>低</column></row><table>在搜索"0"的操作中，bBSL被驅動為低而將BSL設定為浮動或弱高(以i更在失配期間不充電ML)。如果數(shù)據(jù)為"0"，由于其具有到bBSL的高電阻路徑所以匹配線(ML)將保持高。如果數(shù)據(jù)為"l",由于其具有到bBSL的低電阻路徑所以ML將被放電至低。相似地，在搜索'T，的操作中，BSL^皮驅動為低而將bBSLi殳定為浮動或弱高。應該限制通過相變材料的電流小于闊值，以便避免在CAM操作期間重寫存儲的數(shù)據(jù)。在CAM的陣列中，將每一個字線和對應的匹配線連接到大量的單元。如果任何一個單元為失配，匹配線將被驅動為低。如果所有單元是匹配的，那么匹配線將保持高。圖4中示出了，PCM-CAM陣列40包括多個字線(WL)和匹配線(ML)、多個真位-讀-寫-搜索_線(BL-SL)和互補位-讀-寫-搜索-線(bBSL)、以及PCM-CAM單元30(如在圖3中示出的)的二維矩陣。將每一對真和互補位-讀-寫-搜索-線(BSL和bBSL)連接到讀、寫&搜索線(SL)驅動器模塊50。讀、寫&SL驅動器模塊50在RAM模式中進行的讀和寫操作，并且還驅動數(shù)據(jù)以便與CAM模式中的CAM單元相比較。將每一個匹配線(ML)連接到匹配線(ML)控制模塊60。在RAM模式中，匹配線(ML)控制模塊60提供具有正電壓源(如在常規(guī)PCM中的電壓源VA)的匹配線(ML)。在RAM模式中，字線驅動模塊70作為常規(guī)WL解碼器和驅動器，并且在RAM模式中激活僅僅一個字線。在CAM模式中，字線驅動模塊70將所有字線驅動至高電壓電平(例如，1.5V~3.5V)。在圖5中示出了讀、寫和搜索線驅動器50。使用信號置位、復位以及讀以切換對應的晶體管以進行寫0、寫1以及讀操作。適宜的晶體管尺寸將設定在需要的范圍內的脈沖電流。圖6中示出了匹配線控制模塊60。在RAM模式中，該模塊將匹配線預充電至電壓電平VA(例如，1.0V2.0V)。在CAM模式中，模塊60在預充電相中將匹配線預充電至高電平VA(例如，1.0V2.0V)并且在評估相中進行讀出操作。通過不激活字線中的一個或一組(例如，不驅動它們)，將屏蔽對應的字線并且該對應的字線不參與CAM搜索操作。通過將BSL和bBSL設定為浮動或弱高(例如，0.5V~2.0V),而不是它們中的一個為低)，阻斷對應的搜索線。雖然在這里參考附圖描述了本發(fā)明的示例的實施例，但是應該理解本發(fā)明不受限于這些精確的實施例，以及本領域的技術人員可以做出各種其它的改變和修改而不背離本發(fā)明的范圍或精神。權利要求1.一種非易失性內容可尋址存儲器單元，包括第一相變材料元件，所述第一相變材料元件具有連接到匹配線的一端；第一晶體管，所述第一晶體管具有連接到字線的柵極、連接到真位-讀-寫-搜索-線的源極、以及連接到所述第一相變材料元件的另一端的漏極；第二相變材料元件，所述第二相變材料元件具有連接到所述匹配線的一端；以及第二晶體管，所述第二晶體管具有連接到字線的柵極、連接到互補位-讀-寫-搜索-線的源極、以及連接到所述第二相變材料元件的另一端的漏極。2.根據(jù)權利要求1的存儲器單元，其中所述第一相變材料元件和第二相變材料元件每一個包括硫屬元素化物。3.根據(jù)權利要求l的存儲器單元，其中所述第一相變材料元件和笫二相變材料元件每一個包括包含鍺、銻和碲中的至少一種的合金。4.根據(jù)權利要求1的存儲器單元，其中所述第一相變材料元件和第二相變材料元件每一個包括Ge2Sb2Te5。5.根據(jù)權利要求l的存儲器單元，其中所述第一晶體管和所述第二晶體管每一個包括n溝道場效應晶體管。6.—種非易失性內容可尋址存儲器系統(tǒng)，包括多個字線；多個匹配線；多個真位-讀-寫-搜索-線；多個互補位-讀-寫-搜索-線；以及非易失性內容可尋址存儲器單元的陣列，其中所迷存儲器單元中的至少一個包括第一相變材料元件，所迷第一相變材料元件具有連接到所述多個匹配線中的一個的一端；第一晶體管，所迷第一晶體管具有連接到所述多個字線中的一個的柵極、連接到所述多個真位-讀-寫-搜索-線中的一個的源極、以及連接到所述第一相變材料元件的另一端的漏極；第二相變材料元件，所述第二相變材料元件具有連接到所述匹配線的一端；以及第二晶體管，所述第二晶體管具有連接到所述字線的柵極、連接到所述多個互補位-讀-寫-搜索-線中的一個的源極、以及連接到所述第二相變材料元件的另一端的漏極。7.根據(jù)權利要求6的存儲器系統(tǒng)，其中非易失性內容可尋址存儲器單元的陣列包括非易失性內容可尋址存儲器單元的二維矩陣。8.根據(jù)權利要求6的存儲器系統(tǒng)，還包括多個匹配線控制模塊，其中所述多個匹配線控制模塊被分別連接到所迷多個匹配線。9.根據(jù)權利要求8的存儲器系統(tǒng)，其中，在第一模式中，至少一個匹配線控制模塊將匹配線預充電至第一電壓電平，以及在第二模式中，在預充電相中將所迷匹配線預充電至第二電壓電平并在評估相中進行感測操作。10.根據(jù)權利要求6的存儲器系統(tǒng)，還包括多個字線驅動模塊，其中所述多個字線驅動模塊被分別連接到所述多個字線。11.根據(jù)權利要求10的存儲器系統(tǒng)，其中，在第一模式中，至少一個字線驅動模塊作為字線解碼器和驅動器，以及在第二模式中，將所述多個字線驅動到給定的電壓電平。12.根據(jù)權利要求6的存儲器系統(tǒng)，還包括多個讀、寫、和搜索線驅動器，其中所迷多個驅動器被分別連接到各對所述多個真位_讀-寫-搜索-線與所迷多個互補位-讀-寫-搜索-線。13.根據(jù)權利要求12的存儲器系統(tǒng)，其中至少一個讀、寫、和搜索線驅動器產(chǎn)生用于切換對應的晶體管的置位信號、復位信號、以及讀信號以分別地進行寫0操作、寫1操作以及讀操作。14.根據(jù)權利要求6的存儲器系統(tǒng)，其中通過不激活所述字線中的一個或多個，來屏蔽對應的字線并且所述對應的字線不參與內容可尋址存儲器搜索操作。15.根據(jù)權利要求6的存儲器系統(tǒng)，其中通過將真位-讀-寫-搜索-線和互補位-讀-寫-搜索-線的對設定為浮動或者弱高電平中的一種，來阻斷對應的搜索線。全文摘要一種非易失性內容可尋址存儲器單元包括第一相變材料元件，所述第一相變材料元件具有連接到匹配線的一端；第一晶體管，所述第一晶體管具有連接到字線的柵極、連接到真位-讀-寫-搜索-線的源極、以及連接到所述第一相變材料元件的另一端的漏極；第二相變材料元件，所述第二相變材料元件具有連接到所述匹配線的一端；以及第二晶體管，所述第二晶體管具有連接到字線的柵極、連接到互補位-讀-寫-搜索-線的源極、以及連接到所述第二相變材料元件的另一端的漏極。文檔編號G11C11/24GK101176161SQ200680016650公開日2008年5月7日申請日期2006年3月9日優(yōu)先權日2005年6月30日發(fā)明者B·L·季,C·H·蘭,H-S·P·翁,L·L·C·蘇申請人:國際商業(yè)機器公司