專利名稱：一種相變存儲器快速讀取裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微納電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種新型的、相變存儲器快速讀取 方法。
背景技術(shù)：
相變存儲器技術(shù)是基于Ovshinsky在20世紀(jì)60年代末(Phys.Rev.Lett., 21, 1450 1453，1968)70年代初(八 樹.卩1^3.1^ .，18，254 257，1971)提出的相變薄膜可 以應(yīng)用于相變存儲介質(zhì)的構(gòu)想建立起來的，是一種價格便宜、性能穩(wěn)定的存儲器件。相 變存儲器可以做在硅晶片襯底上，其關(guān)鍵材料是可記錄的相變薄膜、加熱電極材料、絕 熱材料和引出電極材的研究熱點也就圍繞其器件工藝展開器件的物理機制研究，包括 如何減小器件料等。相變存儲器的基本原理是利用電脈沖信號作用于器件單元上，使相 變材料在非晶態(tài)與多晶態(tài)之間發(fā)生可逆相變，通過分辨非晶態(tài)時的高阻與多晶態(tài)時的低 阻，可以實現(xiàn)信息的寫入、擦除和讀出操作。相變存儲器由于具有高速讀取、高可擦寫次數(shù)、非易失性、元件尺寸小、功耗 低、抗強震動和抗輻射等優(yōu)點，被國際半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會認(rèn)為最有可能取代目前的閃存存 儲器而成為未來存儲器主流產(chǎn)品和最先成為商用產(chǎn)品的器件。相變存儲器的讀、寫、擦操作就是在器件單元上施加不同寬度和高度的電壓或 電流脈沖信號擦操作(RESET)，當(dāng)加一個短且強的脈沖信號使器件單元中的相變材 料溫度升高到熔化溫度以上后，再經(jīng)過快速冷卻從而實現(xiàn)相變材料多晶態(tài)到非晶態(tài)的轉(zhuǎn) 換，即“1”態(tài)到“0”態(tài)的轉(zhuǎn)換；寫操作(SET)，當(dāng)施加一個長且中等強度的脈沖信號 使相變材料溫度升到熔化溫度之下、結(jié)晶溫度之上后，并保持一段時間促使晶核生長， 從而實現(xiàn)非晶態(tài)到多晶態(tài)的轉(zhuǎn)換，即“0”態(tài)到“1”態(tài)的轉(zhuǎn)換；讀操作，當(dāng)加一個對相 變材料的狀態(tài)不會產(chǎn)生影響的很弱的脈沖信號后，通過測量器件單元的電阻值來讀取它 的狀態(tài)。盡管相變存儲器巨大的應(yīng)用前景，并且吸引了業(yè)界廣泛的關(guān)注，但是依然有幾 個關(guān)鍵技術(shù)點沒有得到很好的解決。其中之一就是讀取問題。相變存儲器的讀取過程一 般可分為兩個部分預(yù)充電，放大電平。預(yù)充電部分發(fā)送電流(電壓)脈沖至相變存儲單 元，使得其位線電壓(電流)上升，其上升速度受寄生電容與相變單元本身電阻值影響。 當(dāng)上升到一定值時，放大電平部分通過靈敏放大器將位線電平放大至滿幅信號輸出。這 一過程對相變單元本身必定具有破壞性，多次讀取以后，相變單元的狀態(tài)必定會受到影 響。為了使破壞性降到最低，當(dāng)前的電路設(shè)計不得不依賴于犧牲讀取裕量來換得。其 次，較大的位線寄生電容使得讀取速度較為緩慢，阻礙了相變存儲器的應(yīng)用。鑒于此，有必要設(shè)計一種新的裝置和方法快速讀取相變存儲器
發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種相變存儲器快速讀取裝置及方法，一方面，在不犧牲讀取裕量的前提下，使得讀操作對相變單元的影響降到最低；另一方面， 在考慮了位線寄生電容的前提下，大幅度提升讀取速度。為解決上述問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種相變存儲單元快速讀取裝置，其特征在于該裝置包括待讀相變存儲單 元、與待讀相變存儲單元相連的充電電路，用于發(fā)送固定的電流脈沖至待讀相變存儲單元或者保持位線電壓至 固定電平；與待讀相變存儲單元相連的過沖恢復(fù)率檢測電路，用于讀取待讀相變存儲單元 的位線電平的恢復(fù)率并以電平的形式輸出；與待讀相變存儲單元相連的拉低位線電路，用于在完成讀操作以后，迅速拉低 位線電路，使待讀相變存儲單元進行下一讀寫操作；與過沖恢復(fù)率檢測電路輸出端連接的靈敏放大電路，所述的靈敏放大電路包括 兩個至少輸入端，一個輸入端與過沖恢復(fù)率檢測電路輸出端連接，另一個輸入端與參考 電平或者參考存儲單元相連，用于比較兩個輸入端的信號大小并放大輸出比較結(jié)果；與靈敏放大電路輸出端連接的鎖存器電路，用于在過沖恢復(fù)過程還沒有結(jié)束時 將正確的讀取結(jié)果鎖入鎖存器，以供下級電路使用；與鎖存器電路連接的鎖存器控制信號發(fā)生電路，用于產(chǎn)生信號控制鎖存器電路。本發(fā)明還涉及一種相變存儲單元快速讀取裝置的讀取方法，其特征在于該方 法包括以下步驟1)利用過沖恢復(fù)率檢測電路讀取待讀相變存儲單元的過沖之后的恢復(fù)率；2)將該恢復(fù)率與設(shè)定的參考存儲單元的恢復(fù)率或參考電平相比較；3)如果過沖恢復(fù)率檢測電路的輸出電平大于參考電平或者參考存儲單元的電 平，則靈敏放大電路輸出高電平信號，那么，待讀相變存儲單元處于高阻態(tài)，如果過沖 恢復(fù)率檢測電路的輸出電平小于參考電平或者參考存儲單元的電平，則靈敏放大電路輸 出低電平信號，那么，待讀相變存儲單元處于低阻態(tài)；4)鎖存器電路在過沖恢復(fù)現(xiàn)象結(jié)束前鎖存住靈敏放大電路輸出的高電平信號或 低電平信號。本方法通過讀取過沖以后，位線電平的恢復(fù)速率，快速的讀取相變存儲單元的 狀態(tài)，從而加快存儲器整體讀取速率。另外，快速的讀取有助于避免讀取操作對相變單 元的破壞，達(dá)到降低讀干擾的目的。


圖1為本發(fā)明中待讀相變存儲單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明相變存儲器快速讀取裝置的一種結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明中充電電路的一種可能的電路示意圖；圖4為本發(fā)明中過沖恢復(fù)率檢測電路的一種可能的電路示意圖；圖5為本發(fā)明中拉低位線電路一種可能的電路示意圖；圖6為本發(fā)明中鎖存器控制信號 發(fā)生電路的一種可能的電路示意圖7為本發(fā)明中利用工業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)仿真軟件Spectre仿真所得的結(jié)果圖；圖8為本發(fā)明中參考存儲單元電路示意圖；圖9為本發(fā)明相變存儲器快速讀取裝置的另一種結(jié)構(gòu)示意圖；圖10為本發(fā)明中鎖存器電路的一種可能的電路示意圖；圖11為本發(fā)明中靈敏放大電路的一種可能的電路示意圖。
具體實施例方式實施例1請參照圖2所示，本發(fā)明提供一種相變存儲器快速讀取裝置，該裝置包括待讀 相變存儲單元104、與待讀相變存儲單元104相連的充電電路101，用于發(fā)送固定的電流 脈沖至待讀相變存儲單元104或者保持位線電壓至固定電平；與待讀相變存儲單元相連 的過沖恢復(fù)率檢測電路102，用于讀取待讀相變存儲單元的位線電平的恢復(fù)率并以電平的 形式輸出；與待讀相變存儲單元相連的拉低位線電路106，用于在完成讀操作以后，迅 速拉低位線電路，使待讀相變存儲單元進行下一讀寫操作；與過沖恢復(fù)率檢測電路102 輸出端連接的靈敏放大電路103，所述的靈敏放大電路103包括兩個至少輸入端，一個輸 入端與過沖恢復(fù)率檢測電路102輸出端連接，另一個輸入端與參考電平相連，用于比較 兩個輸入端的信號并放大輸出比較結(jié)果；與靈敏放大電路103輸出端連接的鎖存器電路 107，用于在過沖恢復(fù)過程還沒有結(jié)束時將正確的讀取結(jié)果鎖入鎖存器，以供下級電路使 用；與鎖存器電路107連接的鎖存器控制信號發(fā)生電路108，用于產(chǎn)生信號控制鎖存器電 路。圖1為相變存儲單元104，包括選通MOS管202以及相變存儲材料201。201的 一端與202的漏端相連，另一端為位線。202的柵端為字線。圖2提供了一種新型的相變存儲器快速讀取電路。其包括充電電路101，過沖恢 復(fù)率檢測電路102，靈敏放大器電路103，待測相變存儲單元104，拉低位線電路106，鎖 存器電路107，鎖存器控制信號發(fā)生電路108。靈敏放大器電路103的一端連接過沖恢復(fù) 率檢測電路102，另一端連接參考電平。如果待測相變存儲單元104處于高阻態(tài)，則過 沖恢復(fù)率檢測電路102輸出電平大于參考電平，靈敏放大器電路103輸出高電平信號，鎖 存器電路107則在過沖恢復(fù)現(xiàn)象結(jié)束前鎖存住該高電平信號；如果待測相變存儲單元104 處于低阻態(tài)，則過沖恢復(fù)率檢測電路102輸出電平小于參考電平，靈敏放大器電路103輸 出低電平信號，鎖存器電路107則在過沖恢復(fù)現(xiàn)象結(jié)束前鎖存住低電平信號。充電電路包括發(fā)送固定的電流脈沖至待測相變存儲單元或者保持位線電壓至固 定電平。圖3為充電電路101的一種可能的電路形式。由PMOS管204和205以及電 流源206構(gòu)成了一組電流鏡。NMOS管203作為選通管，其漏端連接PMOS管205的漏 端，其源端連接待測相變單元104的位線，其柵端連接讀使能信號。在讀使能為低電 平的情況下，選通管203源端電平為floating或接地，漏端電平 與VDD有連通，應(yīng)為VDD。在讀使能信號由低電平變?yōu)楦唠娖降乃查g，其柵端電平上 升超過閥值電壓。在這種情況下，由于漏端電平處在最高位，所以，選通管203被迫進 入飽和區(qū)。這樣將出現(xiàn)一股較大的飽和區(qū)電流流過選通管203，該電流將會造成位線電平 出現(xiàn)一個向上的過沖現(xiàn)象。選通管203與地的通路被打開，其漏端電平會下降，最終使得選通管203進入線性區(qū)，從而使得流過選通管203的電流變小，過沖現(xiàn)象恢復(fù)。過沖恢復(fù)率檢測電路，可以是由運算放大器、電阻、電容構(gòu)成的微分電路。也 可以是其他具有檢測電平或電流斜率的電路形式。如圖4所示，由于理想運算放大器
“虛短，虛斷”特性，V1=V2 = 0。則流過電阻207的電流必須等于流過電容210的 電流。根據(jù)電容充放電公式。
權(quán)利要求
1.一種相變存儲單元快速讀取裝置，其特征在于該裝置包括待讀相變存儲單元、 與待讀相變存儲單元相連的充電電路，用于發(fā)送固定的電流脈沖至待讀相變存儲單元或者保持位線電壓至固定 電平；與待讀相變存儲單元相連的過沖恢復(fù)率檢測電路，用于讀取待讀相變存儲單元的位 線電平的恢復(fù)率，并以電平的形式輸出；與待讀相變存儲單元相連的拉低位線電路，用于在完成讀操作以后，迅速拉低位線 電路，使待讀相變存儲單元進行下一讀寫操作；與過沖恢復(fù)率檢測電路輸出端連接的靈敏放大電路，所述的靈敏放大電路包括兩個 至少輸入端，一個輸入端與過沖恢復(fù)率檢測電路輸出端連接，另一個輸入端與參考電平 或者參考存儲單元相連，用于比較兩個輸入端的信號大小并放大輸出比較結(jié)果；與靈敏放大電路輸出端連接的鎖存器電路，用于在過沖恢復(fù)過程還沒有結(jié)束時將正 確的讀取結(jié)果鎖入鎖存器，以供下級電路使用；與鎖存器電路連接的鎖存器控制信號發(fā)生電路，用于產(chǎn)生信號控制鎖存器電路。
2.如權(quán)利要求1所述的一種相變存儲單元快速讀取裝置，其特征在于所述參考存 儲單元為固定阻值的電阻。
3.如權(quán)利要求1所述的一種相變存儲單元快速讀取裝置，其特征在于所述參考相 變存儲單元包括參考相變存儲器、與參考相變存儲器相連的充電電路，用于發(fā)送固定的電流脈沖至參考相變存儲器或者保持位線電壓至固定電平；與參考相變存儲器相連的過沖恢復(fù)率檢測電路，用于讀取待讀相變存儲單元的位線 電平的恢復(fù)率并以電平的形式輸出；與參考相變存儲器相連的拉低位線電路，用于在完成讀操作以后，迅速拉低位線電 路，使參考相變存儲器進行下一讀寫操作，過沖恢復(fù)率檢測電路輸出端與靈敏放大電路 的輸入端相連。
4.如權(quán)利要求1所述的一種相變存儲單元快速讀取裝置，其特征在于所述充電電 路包括由兩個PMOS管以及與一個PMOS管的漏端連接的電流源構(gòu)成的一組電流鏡以及 選通管NMOS管，選通管NMOS管的漏端連接另一個PMOS管的漏端，選通管NMOS管 的源端連接待讀相變存儲單元的位線，選通管NMOS管的柵端連接讀使能信號。
5.如權(quán)利要求1所述的一種相變存儲單元快速讀取裝置，其特征在于所述過沖恢 復(fù)率檢測電路為微分電路。
6.如權(quán)利要求5所述的一種相變存儲單元快速讀取裝置，其特征在于所述微分電 路包括運算放大器、連接運算放大器輸出端和輸入端的第一電阻、連接運算放大器輸入 端的電容以及連接運算放大器另一輸入端的第二電阻。
7.如權(quán)利要求1所述的一種相變存儲單元快速讀取裝置，其特征在于所述拉低位 線電路包括一個NMOS管，NMOS管的源端接地，柵端為拉低控制信號，漏端接位線， 當(dāng)拉低控制信號為高，NMOS管位線直接接地。
8.如權(quán)利要求1所述的一種相變存儲單元快速讀取裝置，其特征在于所述鎖存信 號產(chǎn)生電路，包括一個用于調(diào)節(jié)延遲時間的延遲電路模塊，其輸入信號是讀使能信號，輸出信號為鎖存控制信號。
9.如權(quán)利要求1至8任意一項所述的一種相變存儲單元快速讀取裝置的讀取方法，其 特征在于該方法包括以下步驟1)利用過沖恢復(fù)率檢測電路讀取待讀相變存儲單元的過沖之后的恢復(fù)率；2)將該恢復(fù)率與設(shè)定的參考存儲單元的恢復(fù)率或參考電平相比較；3)如果過沖恢復(fù)率檢測電路的輸出電平大于參考電平或者參考存儲單元的電平，則 靈敏放大電路輸出高電平信號，那么，待讀相變存儲單元處于高阻態(tài)，如果過沖恢復(fù)率 檢測電路的輸出電平小于參考電平或者參考存儲單元的電平，則靈敏放大電路輸出低電 平信號，那么，待讀相變存儲單元處于低阻態(tài)；4)鎖存器電路在過沖恢復(fù)現(xiàn)象結(jié)束前鎖存住靈敏放大電路輸出的高電平信號或低電 平信號。
10.如權(quán)利要求8所述的一種相變存儲單元快速讀取裝置的讀取方法，其特征在于 所述參考存儲單元為固定阻值的電阻。
全文摘要
一種相變存儲器快速讀取裝置，其包括待讀相變存儲單元、充電電路、過沖恢復(fù)率檢測電路、靈敏放大器電路以及參考電平或參考存儲單元。一方面，相變存儲單元(在電路上可抽象為電阻)與位線的寄生電容構(gòu)成RC回路；另一方面，選通MOS管在開關(guān)瞬間由飽和區(qū)進入線性區(qū)，從而會造成過沖現(xiàn)象。不同狀態(tài)的相變電阻，其過沖之后的恢復(fù)速率是不一樣的。本方法通過讀取過沖以后位線電平的恢復(fù)速率，快速的讀取相變存儲單元的狀態(tài)，從而加快存儲器整體讀取速率。另外，快速的讀取有助于避免讀取操作對相變單元的破壞，達(dá)到降低讀干擾的目的。
文檔編號G11C16/26GK102013271SQ20091019536
公開日2011年4月13日 申請日期2009年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月8日
發(fā)明者丁晟, 劉波, 宋志棠, 陳后鵬 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所