[发明专利]使用相变材料存储器元件的非易失性内容可寻址存储器

说明书

技术领域

本发明通常涉及存储器器件以及，更具体而言，涉及集成电路内容可寻址存储器器件。

背景技术

随机存取存储器(RAM)使数据与地址相关。在当今的计算机中，传统上使用易失性RAM例如动态RAM(DRAM)和静态RAM(SRAM)。然而，随着无线移动计算系统变得更加流行，目前在存储器领域中，大量的研究和开发都集中在新的非易失性存储器上。目前公知的重要的非易失性RAM为使用非线性电容的铁电RAM(FeRAM)，其中该非线性电容归因于钛锆酸铅(PZT)材料的不同的极化，使用随磁极性改变的磁阻的磁RAM(MRAM)，以及使用在有序(传导的)相或无序(有阻力的)相中改变的电阻的硫属元素化物(Chalcogenide)相变材料。

通信技术的进展导致使用内容可寻址存储器器件(CAM)的应用的数量日益增加。该CAM使数据与地址相关。在CAM的输入上提交数据，该CAM搜索用于CAM中存储的那些数据的匹配。当找到匹配时，CAM识别数据的地址位置。

大部分现有的CAM产品是基于SRAM或DRAM单元的易失性技术。图1示出了基于二进制CAM单元10的典型的SRAM。两个反向器INV1和INV2形成了在节点N1和N2上存储真与互补数据的锁存器。在写模式中，通过位线BL和bBL经负沟道金属氧化物半导体(NMOS)晶体管T1和T2将数据写入到CAM单元。在搜索模式的预充电相中，匹配线(ML)被预充电至高。在搜索模式的评估相中，通过搜索线SL和bSL将提交到CAM的输入数据传递到CAM单元。

当存在匹配时，T3和T4的路径中的两个栅极以及在T5和T6的路径中的两个栅极具有不同的极性，以便在每一个路径中的晶体管中的一个关断。这样，在匹配线与下沉(sink)线之间不存在流动通过匹配的CAM单元的电流。

另一方面，当存在失配时，两个路径中的一个路径将具有开启的两个晶体管从而允许电流在匹配线与下沉线之间流动。通常将下沉线连接到地，因此当失配发生时将放电匹配线。在16比特宽CAM的实例中，将每一个匹配线连接到所有16个CAM单元10。当CAM单元中的任何一个呈现失配时，匹配线将被放电到0。如果所有16个单元匹配，匹配线将保持在预充电的高电平(level)从而找到匹配。

虽然基于SRAM的CAM主导了今天的技术，但是其是当关掉功率时丢失数据的易失性技术。在将来的计算应用中，具体而言对于移动应用，非易失性技术将可能普及。

存在一些公知的非易失性CAM方法。美国专利No.5,111,427描述了一种具有电可擦的可编程只读存储器(EEPROM)单元的非易失性CAM。与易失性CAM相比，基于CAM的EEPROM需要更慢的编程时间。最近，美国专利No.6,191,973号和6,269,016号描述了一种基于磁RAM单元的非易失性CAM。这样的单元遇到了更昂贵的磁性层的沉积，以及需要敏感的感测小的电阻改变。例如，在MRAM单元中用于“1”状态和“0”状态的典型的磁阻改变为20％-30％，同时最高的报道的试验室数据达到100％。

因此，存在对改善的非易失性CAM系统的需要。

发明内容

通过使用相变材料的CAM单元和系统克服或缓解了现有技术的上述讨论的以及其它的缺陷和不足。

例如，在本发明的一个方面中，一种非易失性内容可寻址存储器单元包括：第一相变材料元件，所述第一相变材料元件具有连接到匹配线的一端；第一晶体管，所述第一晶体管具有连接到字线的栅极、连接到真位-读-写-搜索-线的源极、以及连接到所述第一相变材料元件的另一端的漏极；第二相变材料元件，所述第二相变材料元件具有连接到所述匹配线的一端；以及第二晶体管，所述第二晶体管具有连接到字线的栅极、连接到互补位-读-写-搜索-线的源极、以及连接到所述第二相变材料元件的另一端的漏极。

相变材料的实例是硫属元素化物合金、Ge_xSb_yTe_z。与在基于磁阻的存储器元件中所使用的材料相比，相变材料显示了至少数量级的电阻的改变。

有利地，提供相变材料(PCM)元件用于非易失性(NV)存储器。所述元件可以操作在内容可寻址存储器(CAM)模式中和随机存取存储器(RAM)模式中。示例性的实施例提供了用于NV-CAM阵列和外围电路的非易失性内容可寻址存储器单元、系统结构和操作方法。所述外围电路支持所述CAM模式中的预充电和搜索操作。示例性的结构还支持RAM模式中的字线激活、读和写操作。更进一步，本发明的示例性的PCM元件还具有位阻断能力和字屏蔽能力。