一次性可編程存儲(chǔ)器及其編程方法與讀取方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種一次性可編程存儲(chǔ)器及其編程方法與讀取方法，所述一次性可編程存儲(chǔ)器至少包括：相變存儲(chǔ)單元，用于存儲(chǔ)需要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)；寫(xiě)入單元，用于將需要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)寫(xiě)入到相變存儲(chǔ)單元中；讀取單元，用于讀取存儲(chǔ)在相變存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)；讀參考單元，用于提供讀取單元讀取數(shù)據(jù)時(shí)的比較對(duì)象；偏置單元，用于在讀取單元讀取時(shí)向所述相變存儲(chǔ)單元提供鉗位電壓。本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明能夠通過(guò)利用簡(jiǎn)單的外圍電路實(shí)現(xiàn)對(duì)相變存儲(chǔ)單元的一次性非可逆操作，從而實(shí)現(xiàn)其一次性可編程性能，可以最大限度地降低存儲(chǔ)器的占用面積，進(jìn)而降低其使用成本。
【專利說(shuō)明】—次性可編程存儲(chǔ)器及其編程方法與讀取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及非揮發(fā)性存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)及制造【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種由相變存儲(chǔ)單元組成的一次性可編程存儲(chǔ)器及其編程方法與讀取方法。
【背景技術(shù)】
[0002]一次性可編程存儲(chǔ)器(OTP)屬于非揮發(fā)性存儲(chǔ)器件，其即使被斷電也能保存信息。一次性可編程存儲(chǔ)器可以為電路提供靈活多樣和價(jià)格低廉的解決方案，因此在多種電路中得到了廣泛的應(yīng)用。目前有多種結(jié)構(gòu)及方法可以實(shí)現(xiàn)OTP功能，其中采用晶體管結(jié)構(gòu)的利用電壓耦合方式改變晶體管閾值電壓的OTP存儲(chǔ)器為主流OTP存儲(chǔ)器。由于基于浮柵結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)電荷的OTP存儲(chǔ)器如NAND閃存、NOR閃存正面制成技術(shù)節(jié)點(diǎn)微縮難題，有限的生命周期將成為其最大的缺點(diǎn)。
[0003]相變存儲(chǔ)器(Phase Change Memory, PCM,PCRAM) 一般指的是基于某種硫系化合物薄膜的隨機(jī)存儲(chǔ)器。它是一種新型的非易失性存儲(chǔ)器，被認(rèn)為最有可能在不遠(yuǎn)的將來(lái)替代閃存(Flash)成為主流非易失性存儲(chǔ)器。這是由于其操作電壓低，讀取速度快，可以位操作，寫(xiě)擦速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于閃存，而且疲勞特性更優(yōu)異，能夠?qū)崿F(xiàn)上億次的循環(huán)寫(xiě)擦，制造工藝簡(jiǎn)單且與現(xiàn)在成熟的CMOS工藝兼容，從而能夠很容易將其存儲(chǔ)單元縮小至較小的尺寸
[0004]相變材料寫(xiě)操作(RESET)即是對(duì)器件單元施加一個(gè)幅度較高的電脈沖使得器件有效區(qū)域(active area)的溫度全部升高至融化溫度,對(duì)GeSbTe材料(GST)而言,這一溫度約為600°C )以上，然后在較短時(shí)間內(nèi)撤除該脈沖，在這一淬火過(guò)程中處于熔融態(tài)的有效區(qū)域來(lái)不及結(jié)晶因而最終變成高阻的非晶態(tài)。擦操作(SET)需要施加一個(gè)時(shí)間較長(zhǎng)的電脈沖，從而將器件有效區(qū)域升溫至結(jié)晶溫度(約200°C )之上融化溫度以下，并保持一段時(shí)間使器件有效區(qū)域形成晶態(tài)。通過(guò)以上的方法便可以使基于相變材料的器件單元的狀態(tài)發(fā)生可逆轉(zhuǎn)變，然而，相對(duì)于RESET操作，SET需要幅度和寬度都更加精確的脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)，事實(shí)上，相變存儲(chǔ)器各大廠商都提出了各種復(fù)雜的操作方法和校驗(yàn)方法來(lái)提高SET操作的成功率。
[0005]由于半導(dǎo)體器件在加工過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷多次溫度介于200°C和600°C之間的工藝過(guò)程，因此，相變存儲(chǔ)單元在器件出廠時(shí)均處于結(jié)晶態(tài)(低阻態(tài))，如果器件在實(shí)際應(yīng)用中只需要實(shí)現(xiàn)RESET操作，則相變存儲(chǔ)單元可以通過(guò)簡(jiǎn)單的外圍電路實(shí)現(xiàn)OTP的功能，相對(duì)于現(xiàn)有的OTP技術(shù)，基于相變單元的OTP則具有更快的速度，更小的單元面積等優(yōu)勢(shì)；而相對(duì)于現(xiàn)有的可逆操作相變存儲(chǔ)器技術(shù)，基于相變單元的OTP則具有操作簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，外圍電路占用面積小等優(yōu)勢(shì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種一次性可編程存儲(chǔ)器及其編程方法與讀取方法，能夠通過(guò)利用簡(jiǎn)單的外圍電路實(shí)現(xiàn)對(duì)相變存儲(chǔ)單元的一次性非可逆操作，從而實(shí)現(xiàn)其一次性可編程性能，本發(fā)明可以最大限度地降低存儲(chǔ)器的占用面積，進(jìn)而降低其使用成本。[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種一次性可編程存儲(chǔ)器，至少包括:
[0008]相變存儲(chǔ)單元，用于存儲(chǔ)需要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)；
[0009]寫(xiě)入單元，用于將需要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)寫(xiě)入到相變存儲(chǔ)單元中；
[0010]讀取單元，用于讀取存儲(chǔ)在相變存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)；
[0011]讀參考單元，用于提供讀取單元讀取數(shù)據(jù)時(shí)的比較對(duì)象；
[0012]偏置單元，用于在讀取單元讀取時(shí)向所述相變存儲(chǔ)單元提供鉗位電壓。
[0013]作為本發(fā)明的一次性可編程存儲(chǔ)器的一種優(yōu)選方案，所述的相變存儲(chǔ)單元包括一個(gè)相變單元及一個(gè)選通單元，所述相變單元的第一端與所述寫(xiě)入單元及讀取單元連接，第二端通過(guò)所述選通單元接地。
[0014]進(jìn)一步地，所述相變單元由GeSbTe材料所形成，所述選通開(kāi)關(guān)為NMOS管或二極管。
[0015]作為本發(fā)明的一次性可編程存儲(chǔ)器的一種優(yōu)選方案，所述寫(xiě)入單元包括一個(gè)選通開(kāi)關(guān)，所述選通開(kāi)關(guān)連接于電源和相變存儲(chǔ)單元之間，并由編程信號(hào)控制導(dǎo)通或關(guān)斷。
[0016]作為本發(fā)明的一次性可編程存儲(chǔ)器的一種優(yōu)選方案，所述讀取單元包括一個(gè)PMOS管、一個(gè)鉗位NMOS管、一個(gè)讀選通開(kāi)關(guān)及一個(gè)三態(tài)反相器，其中，所述PMOS管的源端與所述鉗位NMOS管的漏端、以及三態(tài)反相器的輸入端連接，漏端連接電源，所述鉗位NMOS管的源端通過(guò)所述讀選通開(kāi)關(guān)連接到所述相變存儲(chǔ)單元，同時(shí)，所述讀選通開(kāi)關(guān)及所述三態(tài)反相器均由讀使能信號(hào)控制導(dǎo)通或關(guān)斷。
[0017]進(jìn)一步地,所述讀參考單元包括一個(gè)PMOS管、一個(gè)鉗位NMOS管、一個(gè)讀選通開(kāi)關(guān)、一個(gè)參考電阻和一個(gè)選通單元，所述PMOS管的漏端與柵端相連并與所述鉗位NMOS管的漏端連接，源端連接電源，柵端與所述讀取單元中的PMOS管的柵端相連并形成電流源，所述鉗位NMOS管的源端通過(guò)所述讀選通開(kāi)關(guān)連接到所述參考電阻的第一端，所述參考電阻的第二端通過(guò)所述選通單元連接到地，同時(shí)，所述讀選通開(kāi)關(guān)由讀使能信號(hào)控制導(dǎo)通或關(guān)斷。
[0018]更進(jìn)一步地，所述偏置單元包括一個(gè)PMOS管、第一電阻、第二電阻以及一個(gè)NMOS管，所述PMOS管的漏端連接到所述第一電阻的第一端，源端連接電源，所述第一電阻的第二端與所述第二電阻的第一端以及所述NMOS管的柵端連接，所述第二電阻的第二端與所述NMOS管的漏端連接，所述NMOS管的源端接地。
[0019]更進(jìn)一步地，所述偏置單元中的NMOS管的漏端產(chǎn)生的鉗位電壓分別控制所述讀參考單元中的鉗位NMOS管的柵端以及所述讀取單元中的鉗位NMOS管的柵端。
[0020]本發(fā)明還提供一種一次性可編程存儲(chǔ)器的編程方法，其中:所述相變存儲(chǔ)單元的初始態(tài)為低阻態(tài)，所述寫(xiě)入單元根據(jù)編程信號(hào)采用電壓脈沖的方式對(duì)所述相變存儲(chǔ)單元進(jìn)行編程操作。
[0021]本發(fā)明還提供一種一次性可編程存儲(chǔ)器的讀取方法，其中:
[0022]所述偏置單元產(chǎn)生一個(gè)鉗位電壓，控制所述相變存儲(chǔ)單元上的電壓在讀取過(guò)程中不超過(guò)安全電壓；
[0023]所述讀參考單元產(chǎn)生一個(gè)參考電流，該參考電流的大小處于所述相變存儲(chǔ)單元在高阻態(tài)及低阻態(tài)時(shí)分別流過(guò)的電流之間，并且該參考電壓通過(guò)所述讀參考單元和讀取單元間形成的電流源復(fù)制到所述讀取單元；[0024]當(dāng)所述相變存儲(chǔ)單元處于高阻態(tài)時(shí)，流過(guò)所述相變存儲(chǔ)單元的電流小于該參考電流，所述電流源輸出一個(gè)高電壓，通過(guò)所述讀取單元中的三態(tài)反相器轉(zhuǎn)換成信號(hào)“O” ；當(dāng)所述相變存儲(chǔ)單元處于低阻態(tài)時(shí)，流過(guò)所述相變存儲(chǔ)單元的電流大于該參考電流，所述電流源輸出一個(gè)低電壓，通過(guò)所述讀取單元中的三態(tài)反相器轉(zhuǎn)換成信號(hào)“ I ”，從而完成讀取操作。
[0025]如上所述，本發(fā)明提供一種一次性可編程存儲(chǔ)器及其編程方法與讀取方法，所述一次性可編程存儲(chǔ)器至少包括:相變存儲(chǔ)單元，用于存儲(chǔ)需要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)；寫(xiě)入單元，用于將需要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)寫(xiě)入到相變存儲(chǔ)單元中；讀取單元，用于讀取存儲(chǔ)在相變存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)；讀參考單元，用于提供讀取單元讀取數(shù)據(jù)時(shí)的比較對(duì)象；偏置單元，用于在讀取單元讀取時(shí)向所述相變存儲(chǔ)單元提供鉗位電壓。本發(fā)明具有以下有益效果:本發(fā)明能夠通過(guò)利用簡(jiǎn)單的外圍電路實(shí)現(xiàn)對(duì)相變存儲(chǔ)單元的一次性非可逆操作，從而實(shí)現(xiàn)其一次性可編程性能，可以最大限度地降低存儲(chǔ)器的占用面積，進(jìn)而降低其使用成本。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1顯示為 本發(fā)明的一次性可編程存儲(chǔ)器的具體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖2顯示為本發(fā)明的4x4 —次性可編程存儲(chǔ)器的具體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0029]
【權(quán)利要求】
1.一種一次性可編程存儲(chǔ)器，其特征在于，至少包括: 相變存儲(chǔ)單元，用于存儲(chǔ)需要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)； 寫(xiě)入單元，用于將需要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)寫(xiě)入到相變存儲(chǔ)單元中； 讀取單元，用于讀取存儲(chǔ)在相變存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)； 讀參考單元，用于提供讀取單元讀取數(shù)據(jù)時(shí)的比較對(duì)象； 偏置單元，用于在讀取單元讀取時(shí)向所述相變存儲(chǔ)單元提供鉗位電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一次性可編程存儲(chǔ)器，其特征在于:所述的相變存儲(chǔ)單元包括一個(gè)相變單元及一個(gè)選通單元，所述相變單元的第一端與所述寫(xiě)入單元及讀取單元連接，第二端通過(guò)所述選通單元接地。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一次性可編程存儲(chǔ)器，其特征在于:所述相變單元由GeSbTe材料所形成，所述選通開(kāi)關(guān)為NMOS管或二極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一次性可編程存儲(chǔ)器，其特征在于:所述寫(xiě)入單元包括一個(gè)選通開(kāi)關(guān)，所述選通開(kāi)關(guān)連接于電源和相變存儲(chǔ)單元之間，并由編程信號(hào)控制導(dǎo)通或關(guān)斷。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一次性可編程存儲(chǔ)器，其特征在于:所述讀取單元包括一個(gè)PMOS管、一個(gè)鉗位NMOS管、一個(gè)讀選通開(kāi)關(guān)及一個(gè)三態(tài)反相器，其中，所述PMOS管的源端與所述鉗位NMOS管的漏端、以及 三態(tài)反相器的輸入端連接，漏端連接電源，所述鉗位NMOS管的源端通過(guò)所述讀選通開(kāi)關(guān)連接到所述相變存儲(chǔ)單元，同時(shí)，所述讀選通開(kāi)關(guān)及所述三態(tài)反相器均由讀使能信號(hào)控制導(dǎo)通或關(guān)斷。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一次性可編程存儲(chǔ)器，其特征在于:所述讀參考單元包括一個(gè)PMOS管、一個(gè)鉗位NMOS管、一個(gè)讀選通開(kāi)關(guān)、一個(gè)參考電阻和一個(gè)選通單元，所述PMOS管的漏端與柵端相連并與所述鉗位NMOS管的漏端連接，源端連接電源，柵端與所述讀取單元中的PMOS管的柵端相連并形成電流源，所述鉗位NMOS管的源端通過(guò)所述讀選通開(kāi)關(guān)連接到所述參考電阻的第一端，所述參考電阻的第二端通過(guò)所述選通單元連接到地，同時(shí)，所述讀選通開(kāi)關(guān)由讀使能信號(hào)控制導(dǎo)通或關(guān)斷。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一次性可編程存儲(chǔ)器，其特征在于:所述偏置單元包括一個(gè)PMOS管、第一電阻、第二電阻以及一個(gè)NMOS管，所述PMOS管的漏端連接到所述第一電阻的第一端，源端連接電源，所述第一電阻的第二端與所述第二電阻的第一端以及所述NMOS管的柵端連接，所述第二電阻的第二端與所述NMOS管的漏端連接，所述NMOS管的源端接地。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一次性可編程存儲(chǔ)器，其特征在于:所述偏置單元中的NMOS管的漏端產(chǎn)生的鉗位電壓分別控制所述讀參考單元中的鉗位NMOS管的柵端以及所述讀取單元中的鉗位NMOS管的柵端。
9.一種如權(quán)利要求1~8任意一項(xiàng)所述的一次性可編程存儲(chǔ)器的編程方法，其特征在于:所述相變存儲(chǔ)單元的初始態(tài)為低阻態(tài)，所述寫(xiě)入單元根據(jù)編程信號(hào)采用電壓脈沖的方式對(duì)所述相變存儲(chǔ)單元進(jìn)行編程操作。
10.一種如權(quán)利要求1~8任意一項(xiàng)所述的一次性可編程存儲(chǔ)器的讀取方法，其特征在于: 所述偏置單元產(chǎn)生一個(gè)鉗位電壓，控制所述相變存儲(chǔ)單元上的電壓在讀取過(guò)程中不超過(guò)安全電壓； 所述讀參考單元產(chǎn)生一個(gè)參考電流，該參考電流的大小處于所述相變存儲(chǔ)單元在高阻態(tài)及低阻態(tài)時(shí)分別流過(guò)的電流之間，并且該參考電壓通過(guò)所述讀參考單元和讀取單元間形成的電流源復(fù)制到所述讀取單元； 當(dāng)所述相變存儲(chǔ)單元處于高阻態(tài)時(shí)，流過(guò)所述相變存儲(chǔ)單元的電流小于該參考電流，所述電流源輸出一個(gè)高電壓，通過(guò)所述讀取單元中的三態(tài)反相器轉(zhuǎn)換成信號(hào)“ O ”;當(dāng)所述相變存儲(chǔ)單元處于低阻態(tài)時(shí)，流過(guò)所述相變存儲(chǔ)單元的電流大于該參考電流，所述電流源輸出一個(gè)低電壓，通過(guò)所述讀取單元中的三態(tài)反相器轉(zhuǎn)換成信號(hào)“ I ”，從而完成讀取操作。
【文檔編號(hào)】G11C17/16GK103646668SQ201310729248
【公開(kāi)日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月26日
【發(fā)明者】陳后鵬, 李喜, 宋志棠 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所