CN103646668A - 一次性可编程存储器及其编程方法与读取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种一次性可编程存储器及其编程方法与读取方法，所述一次性可编程存储器至少包括：相变存储单元，用于存储需要写入的数据；写入单元，用于将需要写入的数据写入到相变存储单元中；读取单元，用于读取存储在相变存储单元中的数据；读参考单元，用于提供读取单元读取数据时的比较对象；偏置单元，用于在读取单元读取时向所述相变存储单元提供钳位电压。本发明具有以下有益效果：本发明能够通过利用简单的外围电路实现对相变存储单元的一次性非可逆操作，从而实现其一次性可编程性能，可以最大限度地降低存储器的占用面积，进而降低其使用成本。

Description

一次性可编程存储器及其编程方法与读取方法

技术领域

本发明涉及非挥发性存储器设计及制造技术领域，特别是涉及一种由相变存储单元组成的一次性可编程存储器及其编程方法与读取方法。

背景技术

一次性可编程存储器（OTP）属于非挥发性存储器件，其即使被断电也能保存信息。一次性可编程存储器可以为电路提供灵活多样和价格低廉的解决方案，因此在多种电路中得到了广泛的应用。目前有多种结构及方法可以实现OTP功能，其中采用晶体管结构的利用电压耦合方式改变晶体管阈值电压的OTP存储器为主流OTP存储器。由于基于浮栅结构存储电荷的OTP存储器如NAND闪存、NOR闪存正面制成技术节点微缩难题，有限的生命周期将成为其最大的缺点。

相变存储器(Phase Change Memory,PCM，PCRAM)一般指的是基于某种硫系化合物薄膜的随机存储器。它是一种新型的非易失性存储器，被认为最有可能在不远的将来替代闪存（Flash）成为主流非易失性存储器。这是由于其操作电压低，读取速度快，可以位操作，写擦速度远远快于闪存，而且疲劳特性更优异，能够实现上亿次的循环写擦，制造工艺简单且与现在成熟的CMOS工艺兼容，从而能够很容易将其存储单元缩小至较小的尺寸

相变材料写操作(RESET)即是对器件单元施加一个幅度较高的电脉冲使得器件有效区域(active area)的温度全部升高至融化温度，对GeSbTe材料（GST）而言，这一温度约为600℃)以上，然后在较短时间内撤除该脉冲，在这一淬火过程中处于熔融态的有效区域来不及结晶因而最终变成高阻的非晶态。擦操作(SET)需要施加一个时间较长的电脉冲，从而将器件有效区域升温至结晶温度（约200℃）之上融化温度以下，并保持一段时间使器件有效区域形成晶态。通过以上的方法便可以使基于相变材料的器件单元的状态发生可逆转变，然而，相对于RESET操作，SET需要幅度和宽度都更加精确的脉冲来实现，事实上，相变存储器各大厂商都提出了各种复杂的操作方法和校验方法来提高SET操作的成功率。

由于半导体器件在加工过程中会经历多次温度介于200℃和600℃之间的工艺过程，因此，相变存储单元在器件出厂时均处于结晶态（低阻态），如果器件在实际应用中只需要实现RESET操作，则相变存储单元可以通过简单的外围电路实现OTP的功能，相对于现有的OTP技术，基于相变单元的OTP则具有更快的速度，更小的单元面积等优势；而相对于现有的可逆操作相变存储器技术，基于相变单元的OTP则具有操作简单，容易实现，外围电路占用面积小等优势。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种一次性可编程存储器及其编程方法与读取方法，能够通过利用简单的外围电路实现对相变存储单元的一次性非可逆操作，从而实现其一次性可编程性能，本发明可以最大限度地降低存储器的占用面积，进而降低其使用成本。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种一次性可编程存储器，至少包括：

相变存储单元，用于存储需要写入的数据；

写入单元，用于将需要写入的数据写入到相变存储单元中；

读取单元，用于读取存储在相变存储单元中的数据；

读参考单元，用于提供读取单元读取数据时的比较对象；

偏置单元，用于在读取单元读取时向所述相变存储单元提供钳位电压。

作为本发明的一次性可编程存储器的一种优选方案，所述的相变存储单元包括一个相变单元及一个选通单元，所述相变单元的第一端与所述写入单元及读取单元连接，第二端通过所述选通单元接地。

进一步地，所述相变单元由GeSbTe材料所形成，所述选通开关为NMOS管或二极管。

作为本发明的一次性可编程存储器的一种优选方案，所述写入单元包括一个选通开关，所述选通开关连接于电源和相变存储单元之间，并由编程信号控制导通或关断。

作为本发明的一次性可编程存储器的一种优选方案，所述读取单元包括一个PMOS管、一个钳位NMOS管、一个读选通开关及一个三态反相器，其中，所述PMOS管的源端与所述钳位NMOS管的漏端、以及三态反相器的输入端连接，漏端连接电源，所述钳位NMOS管的源端通过所述读选通开关连接到所述相变存储单元，同时，所述读选通开关及所述三态反相器均由读使能信号控制导通或关断。

进一步地，所述读参考单元包括一个PMOS管、一个钳位NMOS管、一个读选通开关、一个参考电阻和一个选通单元，所述PMOS管的漏端与栅端相连并与所述钳位NMOS管的漏端连接，源端连接电源，栅端与所述读取单元中的PMOS管的栅端相连并形成电流源，所述钳位NMOS管的源端通过所述读选通开关连接到所述参考电阻的第一端，所述参考电阻的第二端通过所述选通单元连接到地，同时，所述读选通开关由读使能信号控制导通或关断。

更进一步地，所述偏置单元包括一个PMOS管、第一电阻、第二电阻以及一个NMOS管，所述PMOS管的漏端连接到所述第一电阻的第一端，源端连接电源，所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第一端以及所述NMOS管的栅端连接，所述第二电阻的第二端与所述NMOS管的漏端连接，所述NMOS管的源端接地。

更进一步地，所述偏置单元中的NMOS管的漏端产生的钳位电压分别控制所述读参考单元中的钳位NMOS管的栅端以及所述读取单元中的钳位NMOS管的栅端。

本发明还提供一种一次性可编程存储器的编程方法，其中：所述相变存储单元的初始态为低阻态，所述写入单元根据编程信号采用电压脉冲的方式对所述相变存储单元进行编程操作。

本发明还提供一种一次性可编程存储器的读取方法，其中：

所述偏置单元产生一个钳位电压，控制所述相变存储单元上的电压在读取过程中不超过安全电压；

所述读参考单元产生一个参考电流，该参考电流的大小处于所述相变存储单元在高阻态及低阻态时分别流过的电流之间，并且该参考电压通过所述读参考单元和读取单元间形成的电流源复制到所述读取单元；

当所述相变存储单元处于高阻态时，流过所述相变存储单元的电流小于该参考电流，所述电流源输出一个高电压，通过所述读取单元中的三态反相器转换成信号“0”；当所述相变存储单元处于低阻态时，流过所述相变存储单元的电流大于该参考电流，所述电流源输出一个低电压，通过所述读取单元中的三态反相器转换成信号“1”，从而完成读取操作。

如上所述，本发明提供一种一次性可编程存储器及其编程方法与读取方法，所述一次性可编程存储器至少包括：相变存储单元，用于存储需要写入的数据；写入单元，用于将需要写入的数据写入到相变存储单元中；读取单元，用于读取存储在相变存储单元中的数据；读参考单元，用于提供读取单元读取数据时的比较对象；偏置单元，用于在读取单元读取时向所述相变存储单元提供钳位电压。本发明具有以下有益效果：本发明能够通过利用简单的外围电路实现对相变存储单元的一次性非可逆操作，从而实现其一次性可编程性能，可以最大限度地降低存储器的占用面积，进而降低其使用成本。

附图说明

图1显示为本发明的一次性可编程存储器的具体结构示意图。

图2显示为本发明的4x4一次性可编程存储器的具体结构示意图。

元件标号说明

具体实施方式

本发明涉及一种一次性可编程存储器及其编程方法与读取方法。由于相变存储单元在经过半导体加工工艺过程后中会形成具有低阻值的多晶态，而其RESET操作（即使其从低阻态转换为高阻态）相对SET操作（即使其从高阻态转换为低阻态）更容易实现，因此，本发明利用相变存储单元的这一特性，提供一种只对相变存储单元进行RESET操作的一次性可编程存储器。

本发明提供的一次性可编程存储器操作方法包括使用电压脉冲实现对相变存储单元的RESET编程操作，以及使用简单的读出电路对相变存储单元进行非破坏性读取，从而实现一次性可编程存储器的编程和读取功能。

本发明提供的一次性可编程存储器相对现有的OTP技术和相变存储器技术，具有容易实现，操作简单，电路占用面积小的优点。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种一次性可编程存储器，至少包括：相变存储单元10、写入单元20、读取单元30、读参考单元40及偏置单元50，其中：

相变存储单元10，用于存储需要写入的数据；

写入单元20，连接于所述相变存储单元10，用于将需要写入的数据写入到相变存储单元10中；

读取单元30，连接于所述相变存储单元10、读参考单元40及偏置单元50，所述用于读取存储在相变存储单元10中的数据；

读参考单元40，连接于所述读取单元30及偏置单元50，用于提供读取单元30读取数据时的比较对象；

偏置单元50，连接于所述读取单元30及读参考单元40，用于在读取单元30读取时向所述相变存储单元10提供钳位电压。

所述的相变存储单元10包括一个相变单元GST及一个选通单元T1，所述相变单元GST的第一端与所述写入单元20及读取单元30连接，第二端通过所述选通单元T1接地。

进一步地，所述相变单元由GeSbTe材料所形成，所述选通开关T1为NMOS管或二极管。在本实施例中，所述选通开关T1为NMOS管，该NMOS管的栅端接存储器的位线WL，漏端接所述相变单元GST，源端接地。

所述写入单元20包括一个选通开关S1，所述选通开关S1连接于电源和相变存储单元10之间，并由编程信号WE_控制导通或关断。

所述读取单元30包括一个PMOS管PM1、一个钳位NMOS管NM1、一个读选通开关S2及一个三态反相器A1，其中，所述PMOS管PM1的源端与所述钳位NMOS管NM1的漏端、以及三态反相器A1的输入端连接，漏端连接电源，所述钳位NMOS管NM1的源端通过所述读选通开关S2连接到所述相变存储单元10，同时，所述读选通开关S2及所述三态反相器均由读使能信号RE控制导通或关断。

进一步地，所述读参考单元40包括一个PMOS管PM2、一个钳位NMOS管NM2、一个读选通开关S3、一个参考电阻R_R和一个选通单元T2，所述PMOS管PM2的漏端与栅端相连并与所述钳位NMOS管NM2的漏端连接，源端连接电源，栅端与所述读取单元30中的PMOS管PM1的栅端相连并形成电流源，所述钳位NMOS管NM2的源端通过所述读选通开关连接到所述参考电阻R_R的第一端，所述参考电阻R_R的第二端通过所述选通单元T2连接到地，同时，所述读选通开关S3由读使能信号RE控制导通或关断。

更进一步地，所述偏置单元50包括一个PMOS管PM3、第一电阻R_A、第二电阻R_B以及一个NMOS管NM3，所述PMOS管PM3的漏端连接到所述第一电阻R_A的第一端，源端连接电源，所述第一电阻R_A的第二端与所述第二电阻R_B的第一端以及所述NMOS管NM3的栅端连接，所述第二电阻R_B的第二端与所述NMOS管NM3的漏端连接，所述NMOS管NM3的源端接地，所述PMOS管PM3的栅端由读使能信号RE控制导通或关断。

更进一步地，所述偏置单元50中的NMOS管NM3的漏端产生的钳位电压分别控制所述读参考单元40中的钳位NMOS管NM2的栅端以及所述读取单元30中的钳位NMOS管NM1的栅端。

本实施例还提供一种一次性可编程存储器的编程方法，其中：所述相变存储单元10的初始态为低阻态，所述写入单元20根据编程信号采用电压脉冲的方式对所述相变存储单元10进行编程操作。

本实施例还提供一种一次性可编程存储器的读取方法，其中：

所述偏置单元50产生一个钳位电压V_cp，所述钳位电压V_cp分别加载在所述读参考单元40中的钳位NMOS管NM2的栅端以及所述读取单元30中的钳位NMOS管NM1的栅端，控制所述相变存储单元10上的电压在读取过程中不超过安全电压；

所述读参考单元40在所述钳位电压V_cp产生一个参考电流I_R，该参考电流的大小处于所述相变存储单元10在高阻态及低阻态时分别流过的电流之间，并且该参考电压通过所述读参考单元40和读取单元30间形成的电流源复制到所述读取单元30；

所述的读取单元30在钳位电压V_cp的作用下位线电压V_BL被限制在非破坏电压以内，并产生读取电流I_BL；

所述读取单元30比较I_R及I_BL的大小，当所述相变存储单元10处于高阻态时，流过所述相变存储单元10的电流I_BL小于该参考电流I_R，所述电流源输出一个高电压，通过所述读取单元30中的三态反相器转换成信号“0”；当所述相变存储单元10处于低阻态时，流过所述相变存储单元10的电流I_BL大于该参考电流I_R，所述电流源输出一个低电压，通过所述读取单元30中的三态反相器转换成信号“1”，从而完成读取操作。

所述的写入单元20在WE有效时，将电源电压传输至相变存储单元10，所述相变存储单元10产生焦耳热并被加热至融化状态；当WE失效时，存储单元急速冷却，形成非晶态。通过以上的加热及冷却过程，相变单元完成基于电压的RESET操作。

实施例2

如图2所示，本实施例提供本实施例提供一种4x4一次性可编程存储器，所述4x4一次性可编程存储器至少包括：4个相变存储单元10、4个写入单元20、4个读取单元30、1个读参考单元40及1个偏置单元50，其中：

4个相变存储单元10，用于存储需要写入的数据；

4个写入单元20，分别连接于所述4个相变存储单元10，用于将需要写入的数据写入到各该相变存储单元10中；

4个读取单元30，分别连接于所述4个相变存储单元10、读参考单元40及偏置单元50，所述用于读取存储在各该相变存储单元10中的数据；

读参考单元40，连接于各该读取单元30及所述偏置单元50，用于提供各该读取单元30读取数据时的比较对象；

偏置单元50，连接于各该读取单元30及所述读参考单元40，用于在读取单元30读取时向各该相变存储单元10提供钳位电压。

并且，各该相变存储单元10、各该写入单元20、各该读取单元30、读参考单元40及偏置单元50的基本结构如实施例1。

其中，各该读取单元30由多根字线与对应个各该相变存储单元10连接，并且，在任意时刻，所述多根字线（BL0、BL1、BL2、BL3）中最多只有1根处于有效状态。

所述一次性可编程存储器具有4个读取单元30，且4个读取单元30在RE的控制下同时工作。

本实施例还提供一种4x4一次性可编程存储器的读取方法，其中：

所述偏置单元50产生一个钳位电压V_cp，所述钳位电压V_cp分别加载在所述4个读参考单元40中的钳位NMOS管的栅端以及所述4个读取单元30中的钳位NMOS管的栅端，分别控制所述相变存储单元10上的电压在读取过程中不超过安全电压；

所述读参考单元40在所述钳位电压V_cp产生一个参考电流I_R，该参考电流的大小处于所述相变存储单元10在高阻态及低阻态时分别流过的电流之间，并且该参考电压通过所述4个读参考单元40和读取单元30间形成的电流源复制到所述读取单元30；

所述的读取单元30在钳位电压V_cp的作用下各位线电压V_BL被限制在非破坏电压以内，并分别产生读取电流I_BLn；

所述4个读取单元30分别通过比较I_R及I_BLn的大小，当对应的相变存储单元10处于高阻态时，流过该相变存储单元10的电流I_BLn小于该参考电流I_R，所述电流源输出一个高电压，通过所述读取单元30中的三态反相器转换成信号“0”；当对应的相变存储单元10处于低阻态时，流过该相变存储单元10的电流I_BLn大于该参考电流I_R，所述电流源输出一个低电压，通过所述读取单元30中的三态反相器转换成信号“1”，从而完成读取操作。

所述一次性可编程存储器具有4个写入单元20，且4个写入单元20分别在写使能信号的控制下，只对需要进行编程的位线单元进行写入操作，将电源电压传输至相变单元，相变单元产生焦耳热并被加热至融化状态；当WE失效时，相变单元急速冷却，形成非晶态。通过以上的加热及冷却过程，相变单元完成基于电压的RESET操作。

所述写使能信号由WE信号可由和需要写入的数据根据需求进行常规的运算后得到。

如上所述，本发明提供一种一次性可编程存储器及其编程方法与读取方法，所述一次性可编程存储器至少包括：相变存储单元10，用于存储需要写入的数据；写入单元20，用于将需要写入的数据写入到相变存储单元10中；读取单元30，用于读取存储在相变存储单元10中的数据；读参考单元40，用于提供读取单元30读取数据时的比较对象；偏置单元50，用于在读取单元30读取时向所述相变存储单元10提供钳位电压。本发明具有以下有益效果：本发明能够通过利用简单的外围电路实现对相变存储单元10的一次性非可逆操作，从而实现其一次性可编程性能，可以最大限度地降低存储器的占用面积，进而降低其使用成本。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种一次性可编程存储器，其特征在于，至少包括：

相变存储单元，用于存储需要写入的数据；

写入单元，用于将需要写入的数据写入到相变存储单元中；

读取单元，用于读取存储在相变存储单元中的数据；

读参考单元，用于提供读取单元读取数据时的比较对象；

偏置单元，用于在读取单元读取时向所述相变存储单元提供钳位电压。

2.根据权利要求1所述的一次性可编程存储器，其特征在于：所述的相变存储单元包括一个相变单元及一个选通单元，所述相变单元的第一端与所述写入单元及读取单元连接，第二端通过所述选通单元接地。

3.根据权利要求2所述的一次性可编程存储器，其特征在于：所述相变单元由GeSbTe材料所形成，所述选通开关为NMOS管或二极管。

4.根据权利要求1所述的一次性可编程存储器，其特征在于：所述写入单元包括一个选通开关，所述选通开关连接于电源和相变存储单元之间，并由编程信号控制导通或关断。

5.根据权利要求1所述的一次性可编程存储器，其特征在于：所述读取单元包括一个PMOS管、一个钳位NMOS管、一个读选通开关及一个三态反相器，其中，所述PMOS管的源端与所述钳位NMOS管的漏端、以及三态反相器的输入端连接，漏端连接电源，所述钳位NMOS管的源端通过所述读选通开关连接到所述相变存储单元，同时，所述读选通开关及所述三态反相器均由读使能信号控制导通或关断。

6.根据权利要求5所述的一次性可编程存储器，其特征在于：所述读参考单元包括一个PMOS管、一个钳位NMOS管、一个读选通开关、一个参考电阻和一个选通单元，所述PMOS管的漏端与栅端相连并与所述钳位NMOS管的漏端连接，源端连接电源，栅端与所述读取单元中的PMOS管的栅端相连并形成电流源，所述钳位NMOS管的源端通过所述读选通开关连接到所述参考电阻的第一端，所述参考电阻的第二端通过所述选通单元连接到地，同时，所述读选通开关由读使能信号控制导通或关断。

7.根据权利要求6所述的一次性可编程存储器，其特征在于：所述偏置单元包括一个PMOS管、第一电阻、第二电阻以及一个NMOS管，所述PMOS管的漏端连接到所述第一电阻的第一端，源端连接电源，所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第一端以及所述NMOS管的栅端连接，所述第二电阻的第二端与所述NMOS管的漏端连接，所述NMOS管的源端接地。

8.根据权利要求7所述的一次性可编程存储器，其特征在于：所述偏置单元中的NMOS管的漏端产生的钳位电压分别控制所述读参考单元中的钳位NMOS管的栅端以及所述读取单元中的钳位NMOS管的栅端。

9.一种如权利要求1～8任意一项所述的一次性可编程存储器的编程方法，其特征在于：所述相变存储单元的初始态为低阻态，所述写入单元根据编程信号采用电压脉冲的方式对所述相变存储单元进行编程操作。

10.一种如权利要求1～8任意一项所述的一次性可编程存储器的读取方法，其特征在于：

所述偏置单元产生一个钳位电压，控制所述相变存储单元上的电压在读取过程中不超过安全电压；

所述读参考单元产生一个参考电流，该参考电流的大小处于所述相变存储单元在高阻态及低阻态时分别流过的电流之间，并且该参考电压通过所述读参考单元和读取单元间形成的电流源复制到所述读取单元；

当所述相变存储单元处于高阻态时，流过所述相变存储单元的电流小于该参考电流，所述电流源输出一个高电压，通过所述读取单元中的三态反相器转换成信号“0”；当所述相变存储单元处于低阻态时，流过所述相变存储单元的电流大于该参考电流，所述电流源输出一个低电压，通过所述读取单元中的三态反相器转换成信号“1”，从而完成读取操作。

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