[发明专利]一次性可编程存储器及其编程方法与读取方法

说明书

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。