[发明专利]相变存储器的数据读出电路

说明书

技术领域

本发明涉及相变存储器，尤其涉及读电压/读电流可切换的相变存储器的数据读出电路。

背景技术

相变存储器(PC-RAM)是一种新型的阻变式非易失性半导体存储器，它与目前已有的多种半导体存储技术相比，具有低功耗，非挥发、高密度、抗辐照、非易失性、高速读取、循环寿命长(＞10¹³次)、器件尺寸可缩性(纳米级)，耐高低温(-55℃至125℃)、抗振动、抗电子干扰和制造工艺简单(能和现有的集成电路工艺相匹配)等优点，是目前被工业界广泛看好的下一代存储器中最有力的竞争者，拥有广阔的市场前景。

相变存储器以硫系化合物材料为存储介质，利用电脉冲或光脉冲产生的焦耳热使相变存储材料在非晶态(材料呈高阻状态)与晶态(材料呈低阻状态)之间发生可逆相变而实现数据的写入和擦除，数据的读出则通过测量电阻的状态来实现。

相变存储器中存储的数据(即相变单元的晶态或非晶态)要通过数据读出电路读取，考虑到其呈现出来的直观特性为低阻态或高阻态，因此，相变存储器都是通过在读使能信号及数据读出电路的控制下，向相变存储器的相变存储单元输入较小量值的电流或者电压，然后测量相变存储单元上的电压值或电流值来实现的。

一般，数据读出电路通过发送一个微小的电流值(电压值)给相变存储单元，此时读取位线的电压(电流)，如果位线电压较高(电流较小)则表示相变单元为高阻态，即“1”；如果位线电压较低(电流较大)则表示相变单元为低阻态，即“0”。然而，在读的过程中，当有电流流过相变存储单元时，相变存储单元会产生焦耳热，如果焦耳热的功率大于相变存储单元的散热效率时，这种热效应会影响相变存储单元的基本状态；同时，当相变存储单元两端的电压差超过某一个阈值时，相变材料内部载流子会发生击穿效应，载流子突然增加，表现出低阻的特性，但此时的材料本身并没有发生相变。上述两个现象即所谓的读破坏现象。

为了避免出现上述的读破坏现象，数据读出电路需要满足以下要求：读出电流(电压)必须非常小，以便产生焦耳热的功率不超过相变存储单元的散热效率；在容许的范围内选择适当大的读出电流(电压)时，必须保证读出速度非常快，以便使产生的焦耳热还来不及使单元的基本状态发生改变，而且，读出电流(电压)的最大值须小于相变单元的内部载流子击穿阈值，以防止相变材料内部载流子发生击穿效应。

对于理想情况下的相变存储器，以上要求是可实现的。然而，在实际的相变存储器中，由于位线上的寄生电容的存在，会导致在满足上述要求的同时，使得读出电流(电压)的操作需要很长的时间。因为数据读出电路需要等待读出电流(电压)给位线电容充完电以后才能正确的读出相变存储单元的状态，这样便极大地制约了相变存储器的速度特性。

一般来说，相变存储器读出电路可以分为读电流模式和读电压模式，其中，读电流模式的相变存储器读出电路相对于读电压模式的相变存储器读出电路具有更快的读出速率，而读电压模式的相变存储器读出电路相对于读电流模式的相变存储器读出电路具有更低的功耗。同时，读出速率和功耗均受到负载寄生电容的大小和相变存储单元高低阻态阻值区间的限制，而读出电路的负载寄生电容和相变存储单元的高低阻态阻值又与制作工艺联系在一起，这些不确定的参数对如何设计出一个高速低功耗的高性能读出电路构成了严重的挑战。

因此，如何改善上述负载寄生电容和存储单元高低阻态阻值区间对读出数据耗时太长、高低阻态分辨率较低、功耗大等问题，实已成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种读电压/读电流可切换的相变存储器的数据读出电路，用于解决在现有技术中数据读出速率与功耗不可兼得的问题。