專利名稱：提升相變存儲(chǔ)器編程速度的方法及實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提升相變存儲(chǔ)器編程速度的方法及實(shí)現(xiàn)方法，屬于半導(dǎo) 體存儲(chǔ)器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
相變存儲(chǔ)器(PCRAM)是被公認(rèn)的一種重要的下一代非易失性存儲(chǔ)器， 在未來的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器市場中將占據(jù)重要的一席之地，具有廣闊的商業(yè)應(yīng)用 前景。在相變存儲(chǔ)器中，是利用存儲(chǔ)器中相變材料的"高阻"和"低阻"兩個(gè)狀態(tài)之間在電脈沖作用下的可逆轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)"o"和"r的存儲(chǔ)。在相變存儲(chǔ)器的編程中，要實(shí)現(xiàn)低阻到高阻的變化，需要施加一個(gè)RESET脈沖，其特點(diǎn) 是較高而較窄，其目的是實(shí)現(xiàn)相變材料的熔化；要實(shí)現(xiàn)高阻到低阻的變化， 則需要施加一個(gè)SET脈沖，其特點(diǎn)是強(qiáng)度中等而較寬，其目的是實(shí)現(xiàn)相變材 料的結(jié)晶。在相變存儲(chǔ)器的編程中，SET編程時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于RESET編程時(shí) 間(前者時(shí)間約為后者的IO倍左右)，所以相變存儲(chǔ)器的編程時(shí)間主要受制 于SET時(shí)間。在存儲(chǔ)器的發(fā)展過程中，對(duì)高速非易失性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的需求 就推動(dòng)著相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)速度的提升，提升相變存儲(chǔ)器的速度有以下幾方面 開發(fā)高速的相變材料；開展相變存儲(chǔ)器的預(yù)讀，減少編程操作的次數(shù)等。本 發(fā)明鑒于SET編程時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于RESET編程時(shí)間，此外，存儲(chǔ)器在待機(jī)時(shí) 擁有大量的空閑時(shí)間，針對(duì)如何提升存儲(chǔ)器的編程速度提出另一種解決方案。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種提升相變存儲(chǔ)器編程速度的方法，并提出該 方法在電路上的實(shí)現(xiàn)方法。目前的PCRAM是兩態(tài)的存儲(chǔ)器，即存儲(chǔ)器存儲(chǔ)中的數(shù)據(jù)為"0"和"1" 兩個(gè)狀態(tài)，在編程過程中，RESET (使存儲(chǔ)單元實(shí)現(xiàn)高阻態(tài)的編程，寫"0")編程速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于SET (使存儲(chǔ)單元實(shí)現(xiàn)低阻態(tài)的編程，寫"1")的編程
速度。且根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)，在編程中，需要進(jìn)行RESET和SET編程的幾率基 本上相當(dāng)，因此，PCRAM的編程速度主要受制于SET過程的速度。
本發(fā)明提出一種在存儲(chǔ)器編程空閑時(shí)間對(duì)無數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元或存儲(chǔ)單元 塊或未存儲(chǔ)數(shù)據(jù)部分的存儲(chǔ)單元或者存儲(chǔ)單元塊進(jìn)行全局性的SET編程操 作。所述的空閑時(shí)間為存儲(chǔ)器單元出于待機(jī)狀態(tài)，沒有編程的任務(wù)。全局性 的SET編程操作使所有的存儲(chǔ)單元或存儲(chǔ)單元塊都處于數(shù)據(jù)"1"狀態(tài)，對(duì) 存儲(chǔ)單元或者單元模塊進(jìn)行全局性SET的編程操作過程中，如果原本就處于 "1"狀態(tài)，則不必進(jìn)行SET編程操作過程；反之，則需要SET編程操作， 使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)?1"狀態(tài)。通過全局性SET的編程操作后，對(duì)PCRAM的所 有編程操作都是從SET態(tài)開始，即將所有需要編程的存儲(chǔ)單元或者存儲(chǔ)單元 塊的初始態(tài)設(shè)定到低阻態(tài)，再在低阻態(tài)寫入數(shù)據(jù)。顯然，在對(duì)初始態(tài)為SET 態(tài)(低阻態(tài)，數(shù)據(jù)"l")進(jìn)行編程的時(shí)候，有兩種可能， 一是要寫入數(shù)據(jù)"l"， 此情況下就無需做任何編程操作，與直寫模式相比節(jié)省了大量的時(shí)間；二是 要得到RESET態(tài)(高阻態(tài)，數(shù)據(jù)"O")，那么僅需要發(fā)送脈沖寬度短暫的RESET 脈沖。此種編程方法相比于傳統(tǒng)的含有SET編程的方法，編程速度大幅上升。 此外，上述全局性的SET過程是利用PCRAM使用過程中的空閑時(shí)間進(jìn)行， 使PCRAM器件的編程效率得到進(jìn)一步的提升，最終該方法能夠大大縮短存 儲(chǔ)器的編程速度，并且合理利用時(shí)間(將空閑時(shí)間高效利用，提升了編程時(shí) 的速度)。
總之，本發(fā)明提出的一種提升相變存儲(chǔ)器編程速度的方法，其特征是利 用相變存儲(chǔ)器使用過程中的空閑時(shí)間對(duì)無數(shù)據(jù)或未存儲(chǔ)數(shù)據(jù)部分的存儲(chǔ)單元 或存儲(chǔ)單元塊進(jìn)行SET操作(使存儲(chǔ)單元從高阻狀態(tài)轉(zhuǎn)到低阻狀態(tài))，在數(shù) 據(jù)寫入的時(shí)候，所有的編程操作都是從SET態(tài)("1")開始。
① 特征之一是在數(shù)據(jù)寫入時(shí)，如果寫入數(shù)據(jù)"1"，則不需要對(duì)存儲(chǔ)單元 進(jìn)行操作；
② 特征之二是在數(shù)據(jù)寫入時(shí)，如果寫入數(shù)據(jù)"0"，則用RESET (使存 儲(chǔ)單元從低阻態(tài)變化到高阻態(tài)的過程)編程信號(hào)對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行操作；
(D特征之三是利用相變材料的高阻和低阻之間的可逆轉(zhuǎn)變來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；
④特征之四是編程操作的目的是使存儲(chǔ)單元設(shè)定到低阻態(tài)；所述的 "RESET"操作是相比于"SET"操作具有較快的速度，"RESET"編程操 作的目的是使存儲(chǔ)單元達(dá)到高阻態(tài)；
(D特征之五是利用空閑時(shí)間進(jìn)行全局SET操作，不占用數(shù)據(jù)讀、寫的繁 忙期；對(duì)無數(shù)據(jù)或未存儲(chǔ)數(shù)據(jù)部分的存儲(chǔ)單元進(jìn)行全局SET操作；所述的 "無數(shù)據(jù)或未存儲(chǔ)數(shù)據(jù)部分的存儲(chǔ)單元"是采用標(biāo)示的方法來表明該存儲(chǔ)單 元是無數(shù)據(jù)的?？梢葬槍?duì)單個(gè)存儲(chǔ)單元，也可以針對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)單元塊；
⑥特征之六是在對(duì)某一存儲(chǔ)塊進(jìn)行編程的同時(shí)，對(duì)其他的無數(shù)據(jù)或未存 儲(chǔ)數(shù)據(jù)部分的存儲(chǔ)單元或存儲(chǔ)單元塊進(jìn)行全局SET編程操作。
本發(fā)明還提供了一種全局SET法的電路實(shí)現(xiàn)方法利用時(shí)鐘計(jì)數(shù)器，在 讀、寫、擦操作完成后的固有時(shí)間內(nèi)監(jiān)測是否有下一次讀、寫、擦操作如 果有，則認(rèn)為存儲(chǔ)器繁忙，不進(jìn)行全局SET;如果沒有，則認(rèn)為存儲(chǔ)器空閑， 此時(shí)啟動(dòng)全局SET操作。當(dāng)執(zhí)行完一次讀、寫、擦操作后，時(shí)鐘開始計(jì)數(shù)， 設(shè)定一個(gè)可調(diào)的計(jì)數(shù)值。當(dāng)在下一個(gè)讀、寫、擦操作來臨之前，如果時(shí)鐘計(jì) 數(shù)周期達(dá)到計(jì)數(shù)值，那么便啟動(dòng)全局SET操作，針對(duì)存儲(chǔ)芯片中未存儲(chǔ)數(shù)據(jù) 的單元進(jìn)行SET操作；如果時(shí)鐘周期沒有達(dá)到計(jì)數(shù)值，那么便進(jìn)行下一個(gè)讀、 寫、擦操作并且清空計(jì)數(shù)周期。在進(jìn)行全局SET操作的過程中，如果有讀、 寫、擦操作出現(xiàn)，立刻中斷全局SET操作，進(jìn)行讀、寫、擦操作，并清空計(jì) 數(shù)周期，直到時(shí)鐘計(jì)數(shù)周期重新達(dá)到計(jì)數(shù)值再次進(jìn)行全局SET操作。
通過調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)值，可以調(diào)節(jié)全局SET操作的啟動(dòng)頻率，從而調(diào)節(jié)存儲(chǔ)器 的應(yīng)用范圍。當(dāng)存儲(chǔ)器應(yīng)用于編程數(shù)據(jù)較為集中，且功耗要求較低，容量較 大的存儲(chǔ)器，可以適當(dāng)設(shè)定較小的計(jì)數(shù)值；如果編程數(shù)據(jù)較為分散，且速度 要求較高，容量較小的存儲(chǔ)器，可以適當(dāng)設(shè)定較大的計(jì)數(shù)值。


圖1 PCRAM編程時(shí)序示意圖。
圖2 PCRAM全局性SET過程，即將所有沒有存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的器件單元在空 閑時(shí)間進(jìn)行SET，得到SET態(tài)(數(shù)據(jù)"1")作為初始態(tài)。圖3 PCRAM在全局性SET編程后的存儲(chǔ)單元中的編程示意圖，圖中加 黑的"0"就是RESET編程的單元(數(shù)據(jù)"0")，其余未變，不需要任何操作。 圖4全局SET電路實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步闡明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步。
1. 當(dāng)前PCRAM的特點(diǎn)是寫數(shù)據(jù)"1"和寫數(shù)據(jù)"0"的過程是不對(duì)稱的，寫 數(shù)據(jù)"1"(即SET過程)的過程的速率要遠(yuǎn)慢于寫數(shù)據(jù)"0"(即RESET 過程)的過程，如圖1所示。如果能將速率較慢的SET過程在空閑時(shí)間 進(jìn)行操作，將大幅提升相變存儲(chǔ)器的編程速度。
2. 在PCRAM空閑的時(shí)候，將未存儲(chǔ)數(shù)據(jù)(或者數(shù)據(jù)己經(jīng)刪除)的單元或者 單元塊進(jìn)行全局"SET"操作，利用SET脈沖將器件單元中所有的"O"態(tài)(高 阻態(tài)，RESET態(tài))轉(zhuǎn)變?yōu)?l"態(tài)，相當(dāng)于初始化到"l"，如圖2所示。
3. 在PCRAM需要編程的時(shí)候，就是在經(jīng)過全局SET后的全部數(shù)據(jù)為"1" 的存儲(chǔ)模塊中進(jìn)行。在連續(xù)寫入數(shù)據(jù)時(shí)，如果要寫"l"，就可以跳過，不 需要進(jìn)行任何的編程操作；如果要寫"0"，則利用RESET操作將'T，改寫 為"0"，即將相關(guān)相變存儲(chǔ)單元從低阻態(tài)轉(zhuǎn)變到高阻態(tài)，此過程的示意圖 如圖3所示。
4. 因RESET編程的速度要遠(yuǎn)高于SET編程的速度，采用此方法后在繁忙編 程時(shí)不再需要SET操作，PCRAM的編程速度就大大提升；此外，存在一 半的幾率要進(jìn)行寫'T'操作，碰到這種情況而又可以跳過，又節(jié)省了一半 的編程時(shí)間；而對(duì)PCRAM存儲(chǔ)模塊的全局SET操作又多是在PCRAM空 閑的時(shí)間完成，如此所有最終存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)速度得到極大提升。
如圖4所示，全局SET電路實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)示意圖當(dāng)執(zhí)行完一次讀、寫、 擦后，時(shí)鐘開始計(jì)數(shù)，設(shè)定一個(gè)可調(diào)的計(jì)數(shù)值。當(dāng)在下一個(gè)讀、寫、擦操作 來臨之前，如果時(shí)鐘計(jì)數(shù)周期達(dá)到計(jì)數(shù)值，那么便啟動(dòng)全局SET操作，針對(duì) 存儲(chǔ)芯片中未存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的單元進(jìn)行SET操作；如果時(shí)鐘周期沒有達(dá)到計(jì)數(shù) 值，那么便進(jìn)行下一個(gè)讀、寫、擦操作并且清空計(jì)數(shù)周期。在進(jìn)行全局SET操作的過程中，如果有讀、寫、擦操作出現(xiàn)，立刻中斷全局SET操作，進(jìn)行
讀、寫、擦操作，并清空計(jì)數(shù)周期，直到時(shí)鐘計(jì)數(shù)周期重新達(dá)到計(jì)數(shù)值再次
進(jìn)行全局SET操作。通過調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)值，可以調(diào)節(jié)全局SET操作的啟動(dòng)頻率， 從而調(diào)節(jié)存儲(chǔ)器的應(yīng)用范圍。當(dāng)存儲(chǔ)器應(yīng)用于編程數(shù)據(jù)較為集中，且功耗要 求較低，容量較大的存儲(chǔ)器，可以適當(dāng)設(shè)定較小的計(jì)數(shù)值；如果編程數(shù)據(jù)較 為分散，且速度要求較高，容量較小的存儲(chǔ)器，可以適當(dāng)設(shè)定較大的計(jì)數(shù)值。 應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是本發(fā)明的描述和應(yīng)用是說明性的，并非僅將本發(fā)明的范圍限 制在上述實(shí)施例中。這里所披露的實(shí)施例的變形或改變都是可能的，對(duì)于本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，實(shí)施例的替換和等效的方法是公知的。本領(lǐng)域技 術(shù)人員應(yīng)該清楚的是，在不脫離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征的情況下，本發(fā)明 可以以其他形式、過程、方法來實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1、一種提升相變存儲(chǔ)器編程速度的方法，其特征在于在存儲(chǔ)器編程空閑時(shí)間對(duì)無數(shù)據(jù)或未存儲(chǔ)數(shù)據(jù)部分的存儲(chǔ)單元或者存儲(chǔ)單元塊進(jìn)行全局性的SET編程操作；所述的空閑時(shí)間為存儲(chǔ)器單元處于待機(jī)狀態(tài)，沒有編程的任務(wù)狀態(tài)；所述的全局性的SET編程操作使所有的存儲(chǔ)單元或者存儲(chǔ)單元塊都處于數(shù)據(jù)“1”狀態(tài)。
2、 按權(quán)利要求1所述的提升相變存儲(chǔ)器編程速度的方法，其特征在于對(duì) 存儲(chǔ)單元或存儲(chǔ)單元塊進(jìn)行全局性SET的編程操作，存儲(chǔ)單元或存儲(chǔ)單元塊 處于"1"狀態(tài)，則不必對(duì)存儲(chǔ)單元或存儲(chǔ)單元塊進(jìn)行SET操作；存儲(chǔ)單元 或存儲(chǔ)單元塊不處于"1"狀態(tài)，則需要對(duì)存儲(chǔ)單元或存儲(chǔ)單元塊進(jìn)行SET 編程操作，使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)?1"狀態(tài)。
3、 按權(quán)利要求1或2所述的提升相變存儲(chǔ)器編程速度的方法，其特征在 于通過全局性的SET編程操作后，使相變存儲(chǔ)器的所有編程操作都是從SET 態(tài)開始，即使存儲(chǔ)單元或存儲(chǔ)單元塊從高阻態(tài)轉(zhuǎn)到低阻態(tài)。
4、 按權(quán)利要求1所述的提升相變存儲(chǔ)器編程速度的方法，其特征在于所 述的無數(shù)據(jù)或未存儲(chǔ)數(shù)據(jù)部分的存儲(chǔ)單元或存儲(chǔ)單元塊采用標(biāo)示的方法表明 存儲(chǔ)單元或存儲(chǔ)單元塊是無數(shù)據(jù)的。
5、 按權(quán)利要求4所述的提升相變存儲(chǔ)器編程速度的方法，其特征在于標(biāo) 示的方法針對(duì)單個(gè)存儲(chǔ)單元或針對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)單元塊。
6、 按權(quán)利要求1所述的提升相變存儲(chǔ)器編程速度的方法，其特征在于對(duì) 某一存儲(chǔ)單元或存儲(chǔ)單元塊進(jìn)行編程的同時(shí)，對(duì)其它的無數(shù)據(jù)或未存儲(chǔ)數(shù)據(jù) 部分的存儲(chǔ)單元或存儲(chǔ)單元塊進(jìn)行全局SET編程操作。
7、 實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的提升相變存儲(chǔ)器編程速度的方法，其特征在于 其步驟是① 當(dāng)執(zhí)行完一次讀、寫、擦后，時(shí)鐘開始計(jì)數(shù)，設(shè)定一個(gè)可調(diào)的計(jì)數(shù)值；② 當(dāng)在下一個(gè)讀、寫、擦操作來臨之前，如果時(shí)鐘計(jì)數(shù)周期達(dá)到計(jì)數(shù)值， 則啟動(dòng)全局SET操作；針對(duì)存儲(chǔ)芯片中無數(shù)據(jù)或未存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的單元進(jìn)行全局 SET編程操作；③ 如果時(shí)鐘周期未達(dá)到計(jì)數(shù)值，則進(jìn)行下一個(gè)讀、寫、擦操作并且清空 計(jì)數(shù)周期；④ 在進(jìn)行全局SET操作的過程中，如果有讀、寫、擦操作出現(xiàn)，立刻中 斷全局SET操作，進(jìn)行讀、寫、擦操作，并清空計(jì)數(shù)周期，直到時(shí)鐘計(jì)數(shù)周 期重新達(dá)到計(jì)數(shù)值再次進(jìn)行全局SET操作。
8、按權(quán)利要求7所述的提升相變存儲(chǔ)器編程速度的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在 于通過調(diào)節(jié)時(shí)鐘計(jì)數(shù)值，調(diào)節(jié)全局SET編程操作的啟動(dòng)頻率。
全文摘要
本發(fā)明是一種提升相變存儲(chǔ)器編程速度的方法及實(shí)現(xiàn)方法。其特征在于在存儲(chǔ)器編程空閑時(shí)間對(duì)無數(shù)據(jù)或未存儲(chǔ)數(shù)據(jù)部分的存儲(chǔ)單元或者存儲(chǔ)單元塊進(jìn)行全局性的SET編程操作；所述的空閑時(shí)間為存儲(chǔ)器單元處于待機(jī)狀態(tài)，沒有編程的任務(wù)狀態(tài)；所述的全局性的SET編程操作使所有的存儲(chǔ)單元或者存儲(chǔ)單元塊都處于數(shù)據(jù)“1”狀態(tài)。本發(fā)明還包括全局SET法的電路實(shí)現(xiàn)在讀、寫、擦操作完成后的固有時(shí)間內(nèi)監(jiān)測是否有下一讀、寫、擦操作，如果有，則認(rèn)為存儲(chǔ)器繁忙，不進(jìn)行全局SET；如果沒有，則認(rèn)為存儲(chǔ)器空閑，此時(shí)啟動(dòng)全局SET操作。
文檔編號(hào)G11C16/06GK101404179SQ20081020240
公開日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2008年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月7日
發(fā)明者晟 丁, 波 劉, 宋志棠, 封松林, 挺 張, 陳邦明 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所