一种基于双阈值选通管的相变存储器读写控制方法及系统与流程

本发明属于相变存储器技术领域，更具体地，涉及一种基于双阈值选通管的相变存储器读写控制方法及系统。

背景技术：

相变存储器是基于某种硫系化合物薄膜的非易失性存储器，通过相变材料可在非晶态及晶态实现快速、可逆的变化来达到存储数据的功能，材料为非晶态时，表现为高阻态，表示数据‘0’，材料为晶态时，表现为低阻态，表示数据‘1’。

传统相变存储器多使用1d1r，1t1r的存储单元结构，其中1t1r结构为一个晶体管与相变存储单元相连，该结构有利于外围电路对存储阵列进行控制，但在实现上一定程度上限制了存储阵列的规模；1d1r结构为一个二极管与相变存储单元相连，同样有效实现外围电路对存储阵列的控制，且阵列面积较小，但二极管的驱动能力较小，制造小尺寸能通过大电流的二极管的工艺较为复杂。

还有一种基于双阈值选通器件的相变存储器，其存储单元的采用相变材料作为存储器元件的存储介质，同时使用双阈值选通器件作为控制流经存储介质电流的选择器，存储介质与选择器耦合形成存储单元，称为1s1r结构。由于双阈值选通器件的驱动能力较强，同时该种结构形成的存储单元面积也较小，有利于相变存储器的三维集成，因此是一种较为理想的存储单元结构。

对该类型存储单元进行写、擦操作时，需先控制选择器开启，再将激励送入存储介质，改变存储介质的状态，进行操作。选择器的开通与关断通过控制其两端电压进行，当选择器两端的分压大于其开启的阈值电压时，选择器开启，允许电流通过存储单元；当选择器两端的分压小于其开启的阈值电压时，选择器关断，可流经存储单元的电流几乎为零。选择器开启后，送入激励改变存储介质的状态，存储介质状态的改变方向由接收到的热量及冷却方式决定：进行set操作时，需相对低的热量及较缓的冷却过程实现；进行reset操作时，需相对高的热量及迅速的冷却过程实现。本领域的实验表明，由于相变材料存在阈值效应，实际过程中一般采用电流型激励来进行set和reset操作。

由于1s1r结构的存储单元为两端器件，进行选通过程及读、写过程均需通过两个端口进行。这就要求在对存储单元进行操作时，无论是选通过程还是读、写过程，选择器及存储单元必须且只能同时受到控制，因此针对此类新型的存储器，需提出一种新的读写方案及读写系统，实现其读写功能。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于双阈值选通管的相变存储器读写控制方法及系统，旨在解决现有技术中使用单一激励类型操作1s1r结构相变存储器带来的控制复杂和稳定性较差的问题。

本发明提供了一种基于双阈值选通管的相变存储器读写控制方法，包括下述步骤：

(1)当选定所操作的存储单元后，在所述存储单元的两端施加不同的偏置电压；

(2)根据流过所述存储单元的电流大小获取当前存储单元中存储的数据data_read；

(3)如果当前操作为读操作，则输出数据data_read；如果当前操作为写操作，则将写入的数据data_in与读出的数据data_read进行比较，并根据比较结果对所述存储单元进行相应操作。

更进一步地，施加在所述存储单元两端的电压差vread满足以下条件：vth0＞vread＞vth1；其中，vth0为相变存储单元为非晶态时开启所需的阈值电压，vth1为相变存储单元为晶态时开启所需的阈值电压。

更进一步地，在步骤(3)中，如果当前操作为写操作，且写入的数据data_in等于读出的数据data_read时，则无需进行写操作，对该单元的操作周期结束。

更进一步地，在步骤(3)中，如果当前操作为写操作，且写入的数据data_in不等于读出的数据data_read时，则对所述存储单元进行编程操作。

更进一步地，对所述存储单元进行编程操作具体为：

对所述存储单元施加选通电压，选通管开启，选通管阻值降低；

撤掉选通电压后对所述存储单元施加编程电流，存储介质发生相变，存储介质阻值变化；

撤掉编程电流后对所述存储单元施加未选中状态下的偏置电压，选通管关闭，选通管阻值升高。

更进一步地，选通存储单元时采用电压型激励，选通编程存储单元时采用电流型激励；且不同类型的激励之间的切换时间或者相同类型不同幅值的激励之间的切换时间小于双阈值选通管从开启到关闭的延迟时间。

本发明还提供了一种基于双阈值选通管的相变存储器读写控制系统，包括：操作判断模块、脉宽控制模块、激励开关选择模块、地址译码模块、灵敏放大器模块、编程电流产生模块和电压偏置模块；所述操作判断模块的第一输入端用于接收写使能信号，操作判断模块的第二输入端用于接收读使能信号，操作判断模块的第三输入端用于接收输入数据；操作判断模块用于根据所述写使能信号、读使能信号和输入数据判断当前要执行的操作类型；所述脉宽控制模块的输入端连接至操作判断模块的输出端，脉宽控制模块用于根据要执行的操作类型生成一系列不同宽度的脉冲信号；所述地址译码模块的输入端用于接收地址信号，地址译码模块用于根据所述地址信号进行译码操作来确定选中的存储单元，并将译码结果输出；所述激励开关选择模块的第一输入端连接至脉宽控制模块的输出端，第二输入端连接至地址译码模块的输出端，激励开关选择模块用于根据所述脉冲信号以及所述译码结果输出wl电压控制信号、bl电压控制信号、set控制信号、reset控制信号和read控制信号；所述灵敏放大器模块的输入端连接至激励开关选择模块的第一输出端，灵敏放大器模块用于根据所述read控制信号读取选中的存储单元的存储数据，并输出至存储芯片；所述编程电流产生模块的第一输入端连接至激励开关选择模块的第二输出端，编程电流产生模块的第二输入端连接至激励开关选择模块的第三输出端，编程电流产生模块用于set控制信号和reset控制信号对选中的存储单元提供操作所需的电流，实现相变存储介质向晶态或者非晶态的转变；所述电压偏置模块的第一输入端连接至激励开关选择模块的第四输出端，电压偏置模块的第二输入端连接至激励开关选择模块的第五输出端，电压偏置模块用于根据所述wl电压控制信号和所述bl电压控制信号对选中和未选中的存储单元分别提供不同的电压偏置。

更进一步地，脉宽控制模块包括：用于控制脉冲信号的顺序和宽度的同步状态机；所述同步状态机包括：空闲状态、读操作状态、选通操作状态、set操作状态、reset操作状态和结束状态；所空闲状态和结束状态输出未选中电压偏置控制信号；所读操作状态输出读脉冲控制信号；所选通操作状态输出选通电压脉冲控制信号；所set操作状态输出set电流脉冲控制信号；所reset操作状态输出reset电流脉冲控制信号。

更进一步地，所述激励开关选择模块包括：逻辑门单元，用于对所述译码结果和所述脉宽控制模块输出的脉冲控制信号进行逻辑门运算后获得对应的控制信号。

更进一步地，所述编程电流产生模块包括：运算放大器、电阻和电流镜，

所述运算放大器对带隙基准电压进行钳位处理后获得带隙电压；

所述带隙电压加载在所述电阻上获得编程电流，

所述电流镜用于输出所述编程电流。

更进一步地，不同类型的激励之间的切换时间或者相同类型不同幅值的激励之间的切换时间小于双阈值选通管从开启到关闭的延迟时间。

本发明中，先施加一个选通电压，该电压根据相变存储介质的状态不同而不同；当相变存储介质处于晶态时，该选通电压较小；当相变存储介质处于非晶态时，该选通电压较大；选通电压结束后切换成电流激励，选择具有合适幅值和脉宽的电流信号对存储单元进行编程操作。

本发明根据双阈值选通管和相变存储介质的物理特性，提出使用同步状态机控制来有序切换不同激励源的方案来适应1s1r结构的相变存储器读写操作的需要，即先用电压型激励源打开双阈值选通管，再用电流型激励源编程相变存储介质。该方案使用电压型激励操作双阈值选通管，契合了双阈值选通管的电压触发特征；该方案使用电流型激励操作相变存储器，避免了相变存储介质在非晶态时的阈值效应，编程结果稳定可靠；该方案切换不同激励源进行操作，比单独控制开关管的栅极电压来控制激励大小的方案在操作上更加简单和迅速。

附图说明

图1为本发明提供的基于双阈值选通管的相变存储器读写控制方法的实现流程图；

图2为本发明实施例提供的基于双阈值选通管的相变存储器读写控制方法种编程操作的具体实现流程图；

图3为本发明实施例提供的基于双阈值选通管的相变存储器读写控制方法的具体实现流程图；

图4为本发明实施例提供的单个存储单元的激励切换电路示意图；

图5(a)为本发明的无需执行写操作时的激励切换控制信号时序图；

图5(b)为本发明的set操作时的激励切换控制信号时序图；

图5(c)为本发明的reset操作时的激励切换控制信号时序图；

图6为本发明实施例提供的读写控制系统各模块连接示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

1s1r结构的存储单元由双阈值选通管和相变存储介质耦合而成，是一种两端器件。本领域内的研究结果表明，双阈值选通管需要用电压型激励操作其导通；相变存储介质适合用电流型激励进行复位(reset)、置位(set)操作。针对两种材料的不同操作需求，本发明提出一种从读操作到选通操作，再到写操作整个流程的操作方法和各功能模块相互连接所组成的系统。

如图1所示，本发明实施例提供的基于双阈值选通管的相变存储器读写控制方法实现流程包括：

首先，通过地址译码模块确定所操作的存储单元之后，在该单元的两端施加不同的偏置电压，记两端的电压差为vread，施加的电压脉宽长度记为t1。由于相变存储介质在非晶态与晶态时，电阻值差距较大，对双阈值选通管的分压情况不同，因此记当相变存储介质为非晶态(高阻值)时，单元开启所需的阈值电压为vth0；当相变存储介质为晶态(低阻值)时，单元开启的所需的阈值电压为vth1。单元开启的含义是，双阈值选通管在电压激励下由高阻值(非导通状态)变成低阻值(导通状态)。上述三个电压幅值的大小满足以下不等式：vth0＞vread＞vth1；

对单元两端施加了vread电压后，灵敏放大器模块可以根据通过流过存储单元的电流大小值来判断当前单元存储的数据，记为data_read。此步骤可以用领域内常用的技术方案来实现。vread电压脉宽长度t1需满足两个条件：能使灵敏放大器模块输出数据；保证存储介质不发生相变。

然后，根据外部的控制信号做出下一步操作判断。如果当前操作是读操作，那么就输出上一步中得到的存储数据，对该单元的操作周期结束。

如果当前操作是写操作，则根据写入的数据data_in来控制下一步操作。如果写入的数据data_in等于之前读出的数据data_read，则无需进行写操作，对该单元的操作周期结束。如果data_in不等于data_read，则要对该单元进行编程操作，描述如下：

在vread的脉冲结束后，会触发另一个电压脉冲施加在存储单元两端，电压幅值记为vots，脉宽记为t2，此电压脉冲用于开启单元。如果data_read＝0，则vots＝vth0；如果data_read＝1，则vots＝vth1。t2长度需满足两个条件：保证存储介质不发生相变；能使存储单元开启。

vots的脉冲结束后，会触发一个电流脉冲施加给存储单元，此电流脉冲用于使相变存储介质产生相变。如果data_in＝1，则电流脉冲幅值为iset，脉宽记为t3，该电流脉冲可以使相变存储介质变为晶态，对应数据“1”。如果data_in＝0，则电流脉冲幅值为ireset，脉宽为t4，该电流脉冲可以使相变存储介质变为非晶态，对应数据“0”。

值得说明的是，在vots切换到iset或者ireset的过程中，器件两端的电压差可能会降低到比保持ots导通的最小维持电压差vhold还要小的程度，可能导致ots关闭。但本领域内的研究表明，ots从导通状态到关闭状态有一定的延迟时间，在这段时间内，如果iset或者ireset施加到存储单元内，ots两端的电压就能大于等于vhold，从而电流脉冲能够顺利的通过该存储单元，对存储介质进行编程操作。

如图2所示，编程操作具体为：在器件两端施加选通电压，选通管电阻阻值降低，器件整体电阻阻值降低到与相变存储介质电阻阻值相当的水平；切换激励源，撤掉选通电压，施加编程电流。电流的大小和脉宽由操作类型决定。施加的编程电流结束后，相变存储介质发生相变，电阻阻值变化。此时再施加未选中偏置电压，选通管电阻阻值升高，器件整体电阻阻值升高到与选通管电阻阻值相当的水平。

本发明实施例提供的基于双阈值选通管的相变存储器读写控制系统包括：电压偏置模块，编程电流生成模块，灵敏放大器模块，地址译码模块，操作判断模块，脉宽控制模块和激励开关选择模块。地址译码模块接收外部的地址信号进行译码操作，将译码结果传给激励开关选择模块；操作判断模块接收外部的读写使能信号和输入数据，生成操作类型信号传给激励开关选择模块；激励开关选择模块生成的read控制信号传给灵敏放大器模块，生成的set控制和reset控制信号传给编程电流产生模块，生成的bl电压控制和wl电压控制传给电压偏置模块。

电压偏置模块用于提供具有各种幅值的电压激励；编程电流生成模块用于提供具有各种幅值的电流激励；灵敏放大器模块用于读取存储单元中的存储数据；地址译码模块用于选中输入地址信号对应的存储单元；操作判断模块用于确定当前操作周期要执行何种操作类型；脉宽控制模块用于生成对应操作所需的脉冲宽度信号；激励开关选择模块用于选择不同种类的激励源。

本发明根据双阈值选通管和相变存储介质的物理特性，提出有序切换不同激励源的方案来适应1s1r结构的相变存储器读写操作的需要，具有简单快速，稳定性较高的优点。

作为本发明的一个实施例，存储单元中的相变存储介质材料可以为具有两种或以上稳定阻态的硫系化合物，例如gst

作为本发明的一个实施例，存储单元中的双阈值选通管的材料应具有较大开关比，比如site，znte。

下面结合附图对技术方法的实施做进一步的说明：

本发明提供了一种基于双阈值选通管的相变存储器读写控制方法及系统，目的是为1s1r结构的相变存储器件提供选通、读取、编程等操作的控制方法。

具体实施方式中和附图中出现的英文命名均为本领域内常用术语，与之前的发明内容中出现的英文命名含义相同，另外补充的是：wl为字线；bl为位线。

在本发明实施例中，以具有两种稳定阻态的相变存储介质为例。

图3显示的是一种实施例中的读写控制方法的实现流程图，步骤如下：

101：存储单元处于未选中状态，wl和bl两端需施加合适的偏置电压，以保证不会出现该单元不会被误选通。在一种实施例中，wl与bl均接1.5v的偏置电压。

102：存储单元被选中，此时要进行读操作。bl端接2.5v的电压，wl端接0v(接地)，持续时间为100ns。该步骤可以得到读取的数据data_read。

103：判断当前的操作周期的写使能是否有效。如果是则进入步骤105，如果不是则进入步骤104。

104：判断当前的操作周期的读使能是否有效。如果是则进入步骤111，如果不是则结束本周期操作。

105：判断当前的输入数据data_in是否等于步骤102中读取的数据data_read。如果等于，则结束本操作周期；如果不等于，则进入步骤106。

106：判断当前的输入数据是否等于“1”。如果不等于则进入步骤107，如果等于则进入步骤108。本实施例中，数据“1”对应相变存储介质的晶态；数据“0”对应相变存储介质的非晶态。

107：bl端接2v电压，wl端接0v(接地)，持续10ns。此步骤可以使ots导通而不改变相变存储介质的状态。

108：bl端接3v电压，wl端接0v(接地)，持续10ns。此步骤可以使ots导通而不改变相变存储介质的状态。

109：进行reset操作，bl端输入80ua的电流，wl端接地，持续50ns，然后结束本操作周期。此步骤可以使相变存储介质变成非晶态。

110：进行set操作，bl端输入15ua的电流，wl端接地，持续200ns，然后结束本操作周期。此步骤可以使相变存储介质变成晶态。

111：输出读取的数据data_read，结束本操作周期。

上述所涉及到的电压值、电流值、持续时间等具体的数据可以根据材料种类、尺寸等参数的不同而做出相应地调整。

图4描述了在一种实施例中，单个存储单元的激励切换电路示意图(省略了未选中状态下的激励)。201～205是激励源生成模块，能够提供操作存储单元所需的电流型或者电压型激励。206是一种开关器件，当控制信号有效时就处于导通状态，可以把激励传递给存储单元213的bl端，图4中显示了5个这样的器件。207是一种选择器件，根据读取数据data_read的数值来选择不同的激励，具体方法前文已经叙述。208～212是开关器件的控制信号，起到控制激励切换的作用，通常为一系列的脉冲信号，在本实施例中它们是高电平有效。

图5(a)(b)(c)描述了在一种实施例中，控制信号208～212在执行不同操作类型的时序关系。图5(a)(b)(c)中的输入信号可以是地址信号、读写使能信号、片选使能信号、数据输入信号等存储芯片从外部接收的各种信号。

图5(a)描述了在读操作周期，或者写操作周期内不执行写操作的情况。当输入信号发生变化，触发生成脉冲信号210，持续时间t1，此脉冲用来控制激励源203施加到存储单元213的bl端。

图5(b)描述了在写操作周期需要执行set操作的情况。当输入信号发生变化，触发生成读脉冲信号210，持续时间t1，此脉冲用来控制激励源203施加到存储单元213的bl端。读脉冲信号210结束后，其下降边沿触发生成ots脉冲信号211，持续时间t2。ots脉冲信号211用来控制激励源204或者205施加到存储单元213的bl端。ots脉冲信号211结束后，其下降边沿触发置位脉冲信号208，持续时间t3。置位脉冲信号208用来控制激励源201施加到存储单元213的bl端。

图5(c)描述了在写操作周期需要执行reset操作的情况。当输入信号发生变化，触发生成读脉冲信号210，持续时间t1，此脉冲用来控制激励源203施加到存储单元213的bl端。读脉冲信号210结束后，其下降边沿触发生成ots脉冲信号211，持续时间t2。ots脉冲信号211用来控制激励源204或者205施加到存储单元213的bl端。ots脉冲信号211结束后，其下降边沿触发复位脉冲信号209，持续时间t4。复位脉冲信号209用来控制激励源202施加到存储单元213的bl端。

图6描述了一种实现本发明的读写控制方法的系统框图并列出了部分重要信号。409是存储器外围电路部分，408是存储阵列部分，两者一般通过wl、bl进行互连耦合。外部输入信号提供地址信号、时钟信号、读使能、写使能和输入数据，经过409的处理，给408提供合适的激励，最终完成数据写入或者得到输出数据。

其中，操作判断模块401根据外部的读使能、写使能和输入数据，判断当前要执行read、set或者reset三种操作中的哪一种，将结果发送给脉宽控制模块402。

脉宽控制模块402根据要执行的操作类型，生成一系列不同宽度的脉冲信号给激励开关选择模块403。

同时，地址译码模块404根据外部输入的地址信号进行译码操作确定选中的存储单元，将译码结果发送给激励开关选择模块403。

激励开关选择模块403对来自404和402的输入信号进行处理，将生成的wl电压控制信号和bl电压控制信号输给电压偏置模块407，将set控制信号和reset控制信号输给编程电流产生模块406，将read控制信号输入灵敏放大器模块405。

电压偏置模块407可以对选中和未选中的存储单元分别提供不同的电压偏置。

编程电流产生模块406可以对选中的存储单元提供操作所需的电流，实现相变存储介质向晶态或者非晶态的转变。

灵敏放大器模块405可以读取选中的存储单元的存储数据，并输到至存储芯片外部。

工作时，先由地址译码模块和操作判断模块接收存储芯片外部输入的信号，包括地址、写使能、读使能、输入数据等，经过处理后得到操作类型信号和译码结果信号。脉宽控制模块根据操作类型信号，控制整个读写脉冲信号的时序，输出脉冲信号。激励开关选择模块根据译码结果和脉冲信号，输出对应wl、bl上的操作控制信号给电压偏置模块、编程电流产生模块、灵敏放大器模块，最终得到相应的电压或者电流信号给存储单元。

作为本发明的一个实施例，操作判断模块401由一个3-8译码器实现，对输入的写使能、读使能和输入数据进行译码，得到执行的操作类型控制信号。

脉宽控制模块402由一个同步状态机来控制脉冲信号的顺序和宽度。该状态机有六个状态，空闲状态、读操作状态、选通操作状态、set操作状态、reset操作状态、结束状态，每个状态输出相应的控制信号。空闲状态和结束状态输出未选中电压偏置；读操作状态输出读脉冲控制信号；选通操作状态输出选通电压脉冲控制信号；set操作状态输出set电流脉冲控制信号；reset操作状态输出reset电流脉冲控制信号。状态之间的切换顺序与图3流程一致。

地址译码模块404由一个译码器实现，译码器的输入信号数量由地址信号位宽决定，译码器的输出是地址信号对应的wl、bl选择信号。

激励开关选择模块403由与、或逻辑门实现，对来自地址译码模块404的译码结果和脉宽控制模块的脉冲信号进行逻辑运算，得到对应的控制信号。

电压偏置模块407利用运算放大器的钳位作用，获得带隙电压，再由电阻分压得到需要的电压大小，然后接缓冲器带动负载。

编程电流产生模块406利用运算放大器的钳位作用，获得带隙电压，加载在特定大小的电阻上，获得所需电流，电流输出结构是一个电流镜，通过电流镜获得需要的电流。

灵敏放大器模块405核心电路是一个比较器，通过比较参考电路和存储电路的电流大小输出0或者1，它的本质是判断存储器当前的阻值，当它小于一个设定的阻值时，灵敏放大器输出1，当它大于同样一个设定的阻值时灵敏放大器输出0。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干适应性变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。