專利名稱：用于相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元的低應(yīng)力多級(jí)讀取的方法和多級(jí)相變存儲(chǔ)器設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施方式涉及一種用于相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元的低應(yīng)力多級(jí)讀取的方法 和一種多級(jí)相變存儲(chǔ)器設(shè)備。
背景技術(shù)：
眾所周知，相變存儲(chǔ)器使用一種具有在具有不同電特性的兩個(gè)相位之間切換的性 質(zhì)的材料，所述兩個(gè)相位與材料的兩種不同晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)非晶形的、無(wú)序的相位、以及結(jié) 晶的或多晶的、有序的相位。因此這兩個(gè)相位與相當(dāng)不同的值的電阻率相關(guān)。目前，可以在相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元中有利地使用諸如Te或Se等周期表第VI族元 素的合金，該合金稱為硫族化物或硫族元素材料。目前最有前途的硫族化物由也稱為GST 的Ge、Sb和Te的合金(Ge2Sb2Te5)組成，其現(xiàn)在被廣泛用于將信息存儲(chǔ)在可覆寫(xiě)磁盤(pán)上，并 且還被提出用于海量存儲(chǔ)。在硫族化物中，當(dāng)材料從非晶形(電阻性更大)的相位轉(zhuǎn)為結(jié)晶的(導(dǎo)電性更大) 相位時(shí)，電阻率改變兩個(gè)或更多數(shù)量級(jí)，反之亦然?？梢酝ㄟ^(guò)局部提高溫度來(lái)獲得相變。在150°C以下，兩種相位都是穩(wěn)定的。從非晶 形狀態(tài)開(kāi)始，并使溫度升高至200°C以上，存在晶粒的快速成核現(xiàn)象，并且如果使材料保持 在結(jié)晶溫度足夠長(zhǎng)的時(shí)間，則該材料經(jīng)歷相變并變成晶體。為了使硫族化物回到非晶形狀 態(tài)，必須使溫度升高至熔融溫度(大約600°C)以上，并隨后快速地冷卻硫族化物。已經(jīng)提出了采用硫族元素材料的性質(zhì)的存儲(chǔ)器設(shè)備(也稱為相變存儲(chǔ)器設(shè)備)。在許多文獻(xiàn)中公開(kāi)了適合于在相變存儲(chǔ)器設(shè)備和相變?cè)目赡芙Y(jié)構(gòu)中使用的 硫族化物的組成物(參見(jiàn)例如US 5，825，046)。如在EP-A-1326254 (對(duì)應(yīng)于US-A-2003/0185047)中所討論的，相變存儲(chǔ)器設(shè)備的 存儲(chǔ)元件包括硫族元素材料和電阻性電極，也稱為加熱器。事實(shí)上，從電學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，通過(guò)促使電流流過(guò)與硫族元素材料接觸或緊密接近的 電阻性電極并因此通過(guò)焦耳效應(yīng)將硫族元素材料加熱來(lái)獲得結(jié)晶溫度和熔融溫度。特別地，當(dāng)硫族元素材料處于非晶形、高電阻率狀態(tài)(也稱為復(fù)位狀態(tài))時(shí)，必須 施加適當(dāng)長(zhǎng)度和振幅的電流脈沖并允許硫族元素材料慢慢地冷卻。在此條件下，硫族元素 材料改變其狀態(tài)并從高電阻率狀態(tài)切換到低電阻率狀態(tài)。更確切地說(shuō)，根據(jù)脈沖的持續(xù)時(shí) 間和振幅，可以通過(guò)硫族元素存儲(chǔ)元件來(lái)形成不同受控導(dǎo)電性的結(jié)晶路徑。實(shí)際上，可以通 過(guò)施加適當(dāng)?shù)碾娏鞣植紒?lái)調(diào)整結(jié)晶路徑的平均橫截面。因此，可以可重復(fù)地將相變材料的 電阻率設(shè)置為多個(gè)層級(jí)之一，從而提供多級(jí)相變存儲(chǔ)器，其可以在每個(gè)存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)一 個(gè)位以上?？梢酝ㄟ^(guò)高振幅電流脈沖和快速冷卻使硫族元素材料相反地轉(zhuǎn)變回非晶形狀態(tài)。與任何其它微電子設(shè)備一樣，多級(jí)相變存儲(chǔ)器必須克服越來(lái)越需要的對(duì)縮放 (scaling)的要求。事實(shí)上，與有意義的信號(hào)相比，縮放常常導(dǎo)致干擾增加并因此影響信噪比。例如，在多級(jí)相變存儲(chǔ)器中，縮放引起對(duì)應(yīng)于不同編程層級(jí)的集中分布，因此可用于區(qū) 別不同層級(jí)的裕度減小。而且，選擇器和加熱器具有更大的電阻，這導(dǎo)致用于給定讀取電壓 的輸出電流更小。另一方面，讀取電壓必須保持低于安全值且不能無(wú)限地增大。否則，事實(shí)上，硫族 化物中的溫度可能在讀取期間升高至發(fā)生相位切換的程度。還已知隨著讀取電壓接近安 全值，硫族化物存儲(chǔ)元件顯示出增加的從非晶形狀態(tài)或結(jié)晶狀態(tài)的漂移。雖然單一的讀取 操作不改變存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)，但多次重復(fù)可能影響保留數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期能力并引起錯(cuò)誤。本發(fā)明的目的是提供不受上述限制的一種用于相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元的多級(jí)讀取 的方法和一種多級(jí)相變存儲(chǔ)器設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，提供了用于相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元的多級(jí)讀取的方法和一 種多級(jí)相變存儲(chǔ)器設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，提供了一種用于相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元的多級(jí)讀取的方 法，該方法包括選擇位線和耦合到所選位線的相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元；向所述所選位線施加第一偏壓(VBL、V。0)；將響應(yīng)于所述第一偏壓(Vp V00)而流過(guò)所述所選位線的第一讀出電流(Ikdcici)與 第一基準(zhǔn)電流(IJ相比較，其中所述第一基準(zhǔn)電流(IJ使得當(dāng)所選相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元 處于復(fù)位狀態(tài)時(shí)所述第一讀出電流(IkdJ與所述第一基準(zhǔn)電流(IcJ處于第一關(guān)系，否則 所述第一讀出電流(Ikdcici)與所述第一基準(zhǔn)電流(IcJ處于第二關(guān)系；以及基于將所述第一讀出電流(Ikdcici)與所述第一基準(zhǔn)電流(IJ相比較，確定所述所 選相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元是否處于復(fù)位狀態(tài)；其特征在于如果所述所選相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元未處于復(fù)位狀態(tài)，則向所述所選位 線施加第二偏壓(Vp Vtll),所述第二偏壓(VpVtll)大于所述第一偏壓(VpVj。根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施方式，提供了一種相變存儲(chǔ)器設(shè)備，該相變存儲(chǔ)器設(shè)備 包括多個(gè)相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元，該相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元以行和列布置并耦合到各個(gè)字 線和位線；選擇電路，該選擇電路用于選擇所述位線和耦合到所選位線的相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單 元；偏置電路，該偏置電路用于向所述所選位線施加第一偏壓(V%、VJ ；以及感測(cè)電路，該感測(cè)電路用于將響應(yīng)于所述第一偏壓(VpVcitl)而流過(guò)所述所選位線 的第一讀出電流(Ikmci)與第一基準(zhǔn)電流(IJ相比較，其中所述第一基準(zhǔn)電流(IcJ使得 當(dāng)所選相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元處于復(fù)位狀態(tài)時(shí)所述第一讀出電流(IkdJ與所述第一基準(zhǔn)電 流(Icitl)處于第一關(guān)系，否則所述第一讀出電流(Ikdcici)與所述第一基準(zhǔn)電流(Icici)處于第二 關(guān)系，其中所述感測(cè)電路可操作用于基于將所述第一讀出電流(IkdJ與所述第一基準(zhǔn)電流 (I00)相比較來(lái)確定所述所選相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元是否處于復(fù)位狀態(tài)；
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其特征在于所述偏置電路可操作用于如果所述所選相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元未處于 復(fù)位狀態(tài)，則向所述所選位線施加第二偏壓(VBy Vtll)，所述第二偏壓(Vp V01)大于所述第 一偏壓(VBL, V00)。根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施方式，提供了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括控制單元；以及上面所述的相變存儲(chǔ)器設(shè)備，該相變存儲(chǔ)器設(shè)備耦合到處理單元。


為了理解本發(fā)明，現(xiàn)在將參照附圖描述本發(fā)明的純粹作為非限制性示例的某些實(shí) 施方式，在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的相變存儲(chǔ)器設(shè)備的簡(jiǎn)化方框圖；圖2是圖1的相變存儲(chǔ)器設(shè)備的一部分的更詳細(xì)的方框圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的方法的流程圖；圖4a至圖4c是示出與圖1的相變存儲(chǔ)器設(shè)備有關(guān)的第一參量(quantity)的圖 表；圖5a至圖5c是示出與圖1的相變存儲(chǔ)器設(shè)備有關(guān)的第二參量的圖表；圖6是根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的方法的流程圖；圖7是示出與圖1的相變存儲(chǔ)器設(shè)備有關(guān)的第三參量的圖表；圖8是圖1的相變存儲(chǔ)器設(shè)備的一部分的詳細(xì)方框圖；圖9a至圖9c是示出與圖1的相變存儲(chǔ)器設(shè)備有關(guān)的第二參量的圖表；以及圖10是本發(fā)明的一種實(shí)施方式的系統(tǒng)描繪。
具體實(shí)施例方式圖1示出相變存儲(chǔ)器(在下文中為“PCM”)設(shè)備1。多個(gè)PCM存儲(chǔ)單元2被布置 成行和列以形成陣列3。行解碼器4和列解碼器5被耦合到存儲(chǔ)器控制單元6和讀取/程 序單元7，該讀取/程序單元7包括程序電路7a和讀取/校驗(yàn)電路7b。字線8和位線9分 別平行于行和列，并可以用已知的方式通過(guò)行解碼器4和列解碼器5選擇性地連接到讀取 /程序單元7。特別地，列解碼器5通過(guò)與可以通過(guò)同時(shí)被選擇用于讀取的位線9的數(shù)目一 樣多的讀線(read line) 7c耦合到讀取/校驗(yàn)電路7b。每個(gè)PCM存儲(chǔ)單元2連接到各字線8與各位線9的交叉點(diǎn)且包括相變型的存儲(chǔ)元 件10和選擇元件11。存儲(chǔ)元件10具有連接到各位線9的第一端子和連接到選擇元件11 的第一端子的第二端子。選擇元件11具有接地的第二端子和連接到各字線8的控制端子。 根據(jù)替代解決方案，每個(gè)PCM存儲(chǔ)單元2的存儲(chǔ)元件10和選擇元件11可以在位置上互換； 此外，選擇元件11可以只具有兩個(gè)端子(例如二極管)。程序電路7a被配置為提供編程電流Ip以便在存儲(chǔ)器控制單元6的控制下將所選 PCM存儲(chǔ)單元2選擇性地編程為多種狀態(tài)之一?？捎脿顟B(tài)的數(shù)目將被表示為N。在本文所 述的實(shí)施方式中，PCM存儲(chǔ)單元2每個(gè)可以存儲(chǔ)兩個(gè)位，因此其具有N = 4種狀態(tài)，即復(fù)位 狀態(tài)或最大電阻狀態(tài)(00，其中基本上形成存儲(chǔ)元件的所有相變材料都是非晶形的，沒(méi)有結(jié) 晶通路)，一種設(shè)定狀態(tài)或最小電阻狀態(tài)(11，其中基本上形成存儲(chǔ)元件的所有相變材料都是結(jié)晶的)、以及兩種中間結(jié)晶狀態(tài)或中間電阻狀態(tài)(10和01，具有各自的中間電阻)。如圖2所示，讀取/校驗(yàn)電路7b包括多個(gè)位線偏置電路13、感測(cè)電路15和溫度傳 感器16。S卩，對(duì)于每個(gè)讀線7c (因此，對(duì)于被選擇用于讀取的每個(gè)位線9)，存在一個(gè)各自的 位線偏置電路13和一個(gè)各自的感測(cè)電路1。偏置電路13耦合到各感測(cè)電路15和各讀線7c。偏置電路13可操作用于在讀操 作期間通過(guò)讀線7c向所選位線9提供偏壓，偏壓在這里通常表示為VbJ為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，認(rèn)為 列解碼器5上的電壓降可忽略)。基于由溫度傳感器16供應(yīng)且可表示容納PCM設(shè)備1的芯 片的工作溫度的溫度信號(hào)T。來(lái)調(diào)整偏壓V皿的值。當(dāng)通過(guò)讀線7c向所選位線9施加偏壓V皿時(shí)，在這里通常表示為Ikd的讀出電流流 過(guò)所選位線9和PCM存儲(chǔ)單元2。感測(cè)電路15感測(cè)取決于各個(gè)所選PCM存儲(chǔ)單元2的實(shí)際編程狀態(tài)的讀出電流IKD。 基于與一組N-I個(gè)基準(zhǔn)電流的比較，感測(cè)電路15確定各個(gè)所選PCM存儲(chǔ)單元2的實(shí)際編程 狀態(tài)并在各數(shù)據(jù)輸出端15a上提供相應(yīng)的讀出數(shù)據(jù)D。當(dāng)已經(jīng)確定所選PCM存儲(chǔ)單元2的 實(shí)際編程狀態(tài)時(shí)，相應(yīng)的感測(cè)電路15因此通過(guò)數(shù)據(jù)識(shí)別信號(hào)DREC來(lái)通知各偏置電路13。 然后，偏置電路13響應(yīng)于數(shù)據(jù)識(shí)別信號(hào)DREC來(lái)取消相應(yīng)位線9的選擇，以便讀操作可以在 不影響相應(yīng)PCM存儲(chǔ)單元2的情況下繼續(xù)。在一種實(shí)施方式中，可以將所選位線9設(shè)置為 復(fù)位電壓，例如接地電壓。現(xiàn)在將參照?qǐng)D3和4a 4c更詳細(xì)地解釋PCM設(shè)備1的操作。特別地，圖3示出 與所選PCM存儲(chǔ)單元2之一的讀取有關(guān)的流程圖。對(duì)所有所選PCM存儲(chǔ)單元2應(yīng)用相同的程序。首先，通過(guò)適當(dāng)?shù)貙?duì)行解碼器4和列解碼器5尋址來(lái)選擇用于讀取的若干PCM存 儲(chǔ)單元2。連接到所選PCM存儲(chǔ)單元2的所選位線9通過(guò)讀線7c耦合到各偏置電路13和 感測(cè)電路15。然后(方框100)，讀取溫度信號(hào)Tc并因此調(diào)整偏壓的值。如在下文中將解釋的那 樣，偏壓可以采用N-I個(gè)電壓層級(jí)來(lái)區(qū)別各編程狀態(tài)(N是與每個(gè)PCM存儲(chǔ)單元2相關(guān)的存 儲(chǔ)層級(jí)的數(shù)目)。通過(guò)與溫度變化相對(duì)的移位來(lái)調(diào)整全部的N-I個(gè)層級(jí)。S卩，由全部的N-I 個(gè)層級(jí)的負(fù)移位來(lái)補(bǔ)償正的溫度變化，反之亦然，由全部N-I個(gè)層級(jí)的正移位來(lái)補(bǔ)償負(fù)的
溫度變化。然后，偏置電路13向各個(gè)所選位線9施加第一偏壓Vtltl (即所選位線9上的偏壓在 此階段等于第一偏壓Vc ，Vbl = V00 ；方框105)。第一偏壓Vtltl是相對(duì)較低的電壓，相當(dāng)于傳 統(tǒng)PCM設(shè)備的位線讀取偏壓(例如使得約350mV的電壓被施加于存儲(chǔ)元件10)。在任何情況下，第一偏壓Vcitl使得實(shí)際上沒(méi)有電流流過(guò)處于復(fù)位狀態(tài)(完全非晶 形、最大電阻性)的所選PCM存儲(chǔ)單元2。感測(cè)電路15響應(yīng)于被施加于所選位線9的第一偏壓Vtltl而感測(cè)流過(guò)所選PCM存儲(chǔ) 單元2的第一讀出電流IKDQQ。在此階段，由Ikdqq = V00/Rcell給出讀出電流Ikdqq,復(fù)位PCM存 儲(chǔ)單元2的存儲(chǔ)單元電阻約為例如IOOkQ (選擇元件11的電阻可忽略)。所感測(cè)的第一讀出電流Iedcici隨后被與第一基準(zhǔn)電流Itltl相比較(方框110，參見(jiàn)圖 5a)，使得可以將處于復(fù)位狀態(tài)的PCM存儲(chǔ)單元2與未處于復(fù)位狀態(tài)的PCM存儲(chǔ)單元2區(qū)別 開(kāi)(參見(jiàn)圖5a)。即，處于復(fù)位狀態(tài)的PCM存儲(chǔ)單元實(shí)際上不吸引電流，并且在任何情況下
8第一讀出電流I·。低于第二基準(zhǔn)電流Ιο。。因此，如果第一讀出電流IraiC1低于第一基準(zhǔn)電流 Iw (方框110，輸出“是”)，則確定相應(yīng)的PCM存儲(chǔ)單元2處于復(fù)位狀態(tài)，在耦合到處于復(fù)位 狀態(tài)的PCM存儲(chǔ)單元2的感測(cè)電路15的數(shù)據(jù)輸出端15a上出現(xiàn)讀出數(shù)據(jù)D = “00”。通過(guò) 將各位線9連接到靜止電壓(rest voltage)(地線，方框125)來(lái)取消已被讀取的處于復(fù)位 狀態(tài)的PCM存儲(chǔ)單元的選擇。因此，取消選擇的PCM存儲(chǔ)單元將不會(huì)受到稍后被施加于仍 被選擇的PCM存儲(chǔ)單元的偏壓的影響。如果第一讀出電流Ikdcici大于第二基準(zhǔn)電流Ιω(方框110，輸出“否”)，相應(yīng)的PCM 存儲(chǔ)單元2仍被選擇。然后(方框130)，偏置電路13向仍被選擇的存儲(chǔ)單元施加第二偏壓Vtllt5第二偏 壓Vtll大于第一偏壓V,因此，在與不同編程狀態(tài)相關(guān)的電流水平比在施加第一偏壓Vcitl的 情況下相隔較寬的間隔。這可以從圖5b中認(rèn)識(shí)到，其中用虛線示出對(duì)于= V00的水平分布。在此由感測(cè)電路15來(lái)感測(cè)第二讀出電流Ikdqi并將其與第二基準(zhǔn)電流Itll相比較， 以便將處于第一中間結(jié)晶狀態(tài)的所選PCM存儲(chǔ)單元2與處于第二中間結(jié)晶狀態(tài)或處于設(shè)定 完全結(jié)晶狀態(tài)(完全結(jié)晶，電阻性最小)的那些PCM存儲(chǔ)單元2區(qū)別開(kāi)。如果所感測(cè)的第二讀出電流Ikdci1低于第二基準(zhǔn)電流Itll (方框140，輸出“是”)，則 確定相應(yīng)的PCM存儲(chǔ)單元2處于第一中間結(jié)晶狀態(tài)，在耦合到被選擇(方框125)的處于第 一中間結(jié)晶狀態(tài)(方框150)的PCM存儲(chǔ)單元2的感測(cè)電路15的數(shù)據(jù)輸出端15a上出現(xiàn)讀 出數(shù)據(jù)D =“01”。如果第二讀出電流Ikmi大于第二基準(zhǔn)電流Itll (方框140，輸出“否”)，則相應(yīng)的PCM 存儲(chǔ)單元仍被選擇。然后由偏置電路13向仍被選擇的PCM存儲(chǔ)單元2施加第三偏壓Vltl，并由感測(cè)電 路15來(lái)感測(cè)由此產(chǎn)生的第三讀出電流Iedici(方框160)。同樣如圖5c所示，所感測(cè)的第三 讀出電流I·隨后被與第三基準(zhǔn)電流Iici相比較，以便將處于第二中間結(jié)晶狀態(tài)(“10”) 的PCM存儲(chǔ)單元2與處于設(shè)定狀態(tài)(“11”)的那些PCM存儲(chǔ)單元2區(qū)別開(kāi)。如果第三讀出電流Ikdiq低于第三基準(zhǔn)電流Iltl (方框170，輸出“是”)，則確定相應(yīng) 的PCM存儲(chǔ)單元2處于第一中間結(jié)晶狀態(tài)且在耦合到被取消選擇(方框125)的處于第一 中間結(jié)晶狀態(tài)(方框180)的PCM存儲(chǔ)單元2的感測(cè)電路15的數(shù)據(jù)輸出端15a上出現(xiàn)讀出 數(shù)據(jù)D = “10”。否則，確定相應(yīng)的PCM存儲(chǔ)單元2處于設(shè)定狀態(tài)，且在耦合到被取消選擇 (方框125)的處于第一中間結(jié)晶狀態(tài)的PCM存儲(chǔ)單元2的感測(cè)電路15的數(shù)據(jù)輸出端15a 上出現(xiàn)讀出數(shù)據(jù)D = “11”。因此，已讀取最初被選擇的所有PCM存儲(chǔ)單元2。實(shí)際上，最初單獨(dú)地施加低偏壓 (第一偏壓VcJ以區(qū)別處于復(fù)位(完全非晶形)狀態(tài)的PCM存儲(chǔ)單元2。因此，實(shí)際上沒(méi)有 電流或至少極低的讀出電流流過(guò)復(fù)位PCM存儲(chǔ)單元2，并消除由讀取引起的漂移效應(yīng)。然后，通過(guò)施加增加的偏壓直至已識(shí)別所有PCM存儲(chǔ)單元2的編程狀態(tài)來(lái)重復(fù)讀 取循環(huán)(在N個(gè)可用編程狀態(tài)下為N-I次)。更確切地說(shuō)，重復(fù)持續(xù)至對(duì)于每個(gè)所選PCM存 儲(chǔ)單元2滿足以下條件之一已經(jīng)進(jìn)行所選PCM存儲(chǔ)單元2處于中間結(jié)晶狀態(tài)01、10之一的確定；以及已經(jīng)進(jìn)行所選PCM存儲(chǔ)單元2未處于其它中間結(jié)晶狀態(tài)01、10中的任何一個(gè)的確定。此外，如果已進(jìn)行所選PCM存儲(chǔ)單元2未處于中間結(jié)晶狀態(tài)01、10中的任何一個(gè) 的確定，則確定所選PCM存儲(chǔ)單元2處于設(shè)定狀態(tài)。在任何時(shí)間取消對(duì)已確定其各自的實(shí)際編程狀態(tài)的所選PCM存儲(chǔ)單元2 (及相應(yīng) 位線9)的選擇。特別地，在施加最低可用偏壓、即第一偏壓Vcitl之后取消復(fù)位PC存儲(chǔ)單元 2的選擇。因此，復(fù)位PC存儲(chǔ)單元2不受讀操作的繼續(xù)和較高偏壓的影響。另一方面，在 被設(shè)置為中間結(jié)晶狀態(tài)或設(shè)定狀態(tài)(完全結(jié)晶)的PCM存儲(chǔ)單元2中，讀出電流本質(zhì)上通 過(guò)存儲(chǔ)元件被結(jié)晶路徑吸引。作為替代，圍繞結(jié)晶路徑的可能的非晶形材料僅僅與可忽略 的一部分讀出電流交叉且基本上不受影響。因此，不存在漂移的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，實(shí)際編程狀態(tài) 的辨別力得到改善，因?yàn)閷蛹?jí)分布由于所述方法而相互間隔開(kāi)。此外，只有最高偏壓被施加 于導(dǎo)電性最大的PCM存儲(chǔ)單元2，即具有最大導(dǎo)電性的結(jié)晶路徑的那些PCM存儲(chǔ)單元2。因 此，始終保持非晶形材料。事實(shí)上，結(jié)晶路徑的導(dǎo)電性越高，與非晶形材料交叉的那部分讀 出電流越小。因此，可以在不顯著改變存儲(chǔ)材料的狀態(tài)的情況下增大讀出電壓，因?yàn)樵谌魏?情況下非晶形部分上的應(yīng)力被減小。在一種實(shí)施方式中，如圖6所示，在讀取之后執(zhí)行被讀取的PCM存儲(chǔ)單元2的校 驗(yàn)程序。校驗(yàn)偏壓Vv被施加于位線9，根據(jù)剛剛從PCM存儲(chǔ)單元2讀取的數(shù)據(jù)再次進(jìn)行讀 取(方框200)。實(shí)際上，對(duì)于每個(gè)PCM存儲(chǔ)單元2，使用已發(fā)生編程層級(jí)識(shí)別的相同偏壓
(例如，向剛剛被讀取并被設(shè)置為第一中間結(jié)晶狀態(tài)01的所有PCM存儲(chǔ)單元施加第二偏 壓Vtll)?？梢酝瑫r(shí)向各個(gè)不同的PCM存儲(chǔ)單元2施加不同的偏壓在另一實(shí)施方式中， 向所有所選PCM存儲(chǔ)單元2施加單一校驗(yàn)偏壓Vv。然后，由感測(cè)電路15來(lái)感測(cè)響應(yīng)于校驗(yàn)偏壓Vv而流過(guò)位線9和PCM存儲(chǔ)單元2的 校驗(yàn)電流Iv并將其與各個(gè)校驗(yàn)電流范圍Rv相比較(方框220)。如圖7所示，校驗(yàn)電流范 圍Rv包括各電流期望值I·、Ieci1、Ieici、Ieii。如果校驗(yàn)電流Iv在各校驗(yàn)電流范圍Rv內(nèi)，則校驗(yàn)程序(方向220，輸出“是”)，該 程序終止(方框230)。顯示出在各校驗(yàn)電流范圍Rv之外的校驗(yàn)電流Iv WPCM存儲(chǔ)單元 2(方框220，輸出“否”)，對(duì)剛剛讀取的數(shù)據(jù)重新編程(方框240)。因此，PCM存儲(chǔ)器設(shè)備 1的分布層級(jí)保持一致且由于讀取引起的可能的較小漂移效應(yīng)被立即恢復(fù)。圖8更詳細(xì)地示出偏置電路13之一和感測(cè)電路15之一。偏置電路13包括具有 耦合到電源線16和各讀線7c的漏極端子和源極端子的調(diào)節(jié)器晶體管17以及向調(diào)節(jié)器晶 體管17的控制端子供應(yīng)控制電壓的電壓控制電路20。電壓控制電路20還具有耦合到用 于接收電壓選擇信號(hào)VSEL的存儲(chǔ)器控制單元6的電壓選擇輸入端20a、耦合到感測(cè)電路15 的取消選擇輸入端20b、以及耦合到用于接收溫度信號(hào)T。的溫度傳感器16的調(diào)整輸入端 20c。偏置電路13還包括由數(shù)據(jù)識(shí)別信號(hào)DREC控制的取消選擇晶體管18和邏輯電路19。 在這里是NMOS晶體管的取消選擇晶體管18具有分別耦合到調(diào)節(jié)器晶體管17的柵極端子 和地線的漏極端子和源極端子。邏輯電路19的一個(gè)輸出端耦合到取消選擇晶體管18的柵 極端子。邏輯電路19被配置為使得取消選擇晶體管18在讀操作開(kāi)始時(shí)截止。當(dāng)存儲(chǔ)在相 應(yīng)PCM存儲(chǔ)單元2中的數(shù)據(jù)已被識(shí)別時(shí)，數(shù)據(jù)識(shí)別信號(hào)DREC切換，并且作為響應(yīng)，邏輯電路 19使取消選擇晶體管18導(dǎo)通，從而使調(diào)節(jié)器晶體管17截止并使相應(yīng)的所選位線9產(chǎn)生接 地電壓。這樣，位線9被取消選擇并保持如此，直至讀操作結(jié)束。
10
感測(cè)電路15包括感測(cè)放大器21、基準(zhǔn)模塊23、數(shù)據(jù)模塊24和輸出緩沖器25，所述 基準(zhǔn)模塊23選擇性地供應(yīng)第一、第二和第三基準(zhǔn)電流Ιω、I01, Iltl之一(為明了起見(jiàn)，在本 文中一般表示為基準(zhǔn)電流Ikef)。感測(cè)放大器21具有耦合到用于在施加偏壓V皿時(shí)感測(cè)讀出 電流Ikd的讀線7c的感測(cè)輸入端21a、以及耦合到用于接收基準(zhǔn)電流Ikef的基準(zhǔn)模塊的基準(zhǔn) 輸入端21b。感測(cè)放大器21的一個(gè)輸出端耦合到用于響應(yīng)于低于實(shí)際基準(zhǔn)電流Ikef的所感 測(cè)的讀出電流Ied而供應(yīng)數(shù)據(jù)識(shí)別信號(hào)DREC的輸出緩沖器25。感測(cè)放大器21的輸出端還 連接到電壓控制電路20的取消選擇輸入端20b。如圖9a 9c所示，數(shù)據(jù)模塊24受到控制 而依照當(dāng)前所選偏壓V皿和基準(zhǔn)電流Ikef向輸出緩沖器25提供輸出數(shù)據(jù)值。在本文所述的 實(shí)施方式中，基準(zhǔn)模塊23和數(shù)據(jù)模塊24均由存儲(chǔ)器控制單元6通過(guò)電壓選擇信號(hào)VSEL來(lái) 控制。在讀操作中，如前文所述，存儲(chǔ)器控制單元6通過(guò)電壓選擇信號(hào)VSEL來(lái)選擇要施 加于所選位線9的適當(dāng)偏壓電壓控制電路20驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)器晶體管17，使得所選偏壓V皿 實(shí)際上被施加于相應(yīng)的位線9。同時(shí)，如圖9a 9c所示，由基準(zhǔn)模塊23和數(shù)據(jù)模塊24依 照電壓選擇信號(hào)VSEL來(lái)選擇適當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)電流Ikef和輸出數(shù)據(jù)值。感測(cè)放大器21將實(shí)際讀 出電流Ikd與基準(zhǔn)電流Ikef相比較。如果讀出電流Ikd較低，則確定相應(yīng)的所選PCM存儲(chǔ)單 元2的實(shí)際編程狀態(tài)且感測(cè)放大器21發(fā)送數(shù)據(jù)識(shí)別信號(hào)DREC。響應(yīng)于數(shù)據(jù)識(shí)別信號(hào)DREC， 電壓控制電路20通過(guò)使調(diào)節(jié)器晶體管17截止來(lái)取消相應(yīng)PCM存儲(chǔ)單元2的選擇。因此， PCM存儲(chǔ)單元2不再受到讀操作可能繼續(xù)的影響，亦即不經(jīng)歷可能改變其編程狀態(tài)的較高 偏壓V^此外，由數(shù)據(jù)模塊24呈現(xiàn)的輸出數(shù)據(jù)值被加載在輸出緩沖器25中并作為輸出數(shù) 據(jù)D供應(yīng)。在所選PCM存儲(chǔ)單元處于設(shè)定狀態(tài)的情況下(即讀出電流Ied從不超過(guò)任何基 準(zhǔn)電流Ikef)，數(shù)據(jù)值“ 11”作為輸出數(shù)據(jù)D被呈現(xiàn)。在一種實(shí)施方式中，這通過(guò)在讀操作開(kāi) 始時(shí)將數(shù)據(jù)值“11”預(yù)先加載在輸出緩沖器25中來(lái)實(shí)現(xiàn)。在圖10中，示出了依照本發(fā)明的實(shí)施方式的系統(tǒng)300的一部分。系統(tǒng)300可以在 例如可能具有無(wú)線能力的個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、膝上計(jì)算機(jī)或便攜式計(jì)算機(jī)，蜂窩電話、即 時(shí)通訊設(shè)備、數(shù)字音樂(lè)播放器、數(shù)字照相機(jī)，或可能適合于處理、存儲(chǔ)、發(fā)送或接收信息且需 要永久性存儲(chǔ)能力的其它設(shè)備的設(shè)備中使用。系統(tǒng)300可以包括經(jīng)由總線350相互耦合的控制器310、輸入/輸出(I/O)設(shè)備 320 (例如鍵盤(pán)、顯示器)、相變存儲(chǔ)器設(shè)備1、無(wú)線接口 340、以及RAM存儲(chǔ)器360。在一種實(shí) 施方式中，可以使用電池380來(lái)向系統(tǒng)300供電。應(yīng)注意的是本發(fā)明的范圍不限于一定具 有任何或全部以上列出的組件的實(shí)施方式。例如，控制器310可以包括一個(gè)或多個(gè)微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器、微控制器等等?？梢允褂肐/O設(shè)備320來(lái)生成消息。系統(tǒng)300可以使用無(wú)線接口 340用射頻(RF) 信號(hào)向無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送消息并從無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)接收消息。無(wú)線接口 340的示例可以包括 天線、或無(wú)線收發(fā)機(jī)，諸如偶極天線，但是本發(fā)明的范圍在這方面不受限制。而且，I/O設(shè)備 320可以遞送反映什么項(xiàng)目被存儲(chǔ)為數(shù)字輸出(如果存儲(chǔ)數(shù)字信息)或模擬信息(如果存 儲(chǔ)模擬信息)的電壓。最后，很明顯，如所附權(quán)利要求所定義的那樣，可以對(duì)本文所述和所示的方法和設(shè) 備進(jìn)行許多修改和變更，其全部在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種用于相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元的多級(jí)讀取的方法，該方法包括選擇位線和耦合到所選位線的相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元；向所述所選位線施加第一偏壓(VBL、V00)；將響應(yīng)于所述第一偏壓(VBL、V00)而流過(guò)所述所選位線的第一讀出電流(IRD00)與第一基準(zhǔn)電流(I00)相比較，其中所述第一基準(zhǔn)電流(I00)使得當(dāng)所選相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元處于復(fù)位狀態(tài)時(shí)所述第一讀出電流(IRD00)與所述第一基準(zhǔn)電流(I00)處于第一關(guān)系，否則所述第一讀出電流(IRD00)與所述第一基準(zhǔn)電流(I00)處于第二關(guān)系；以及基于將所述第一讀出電流(IRD00)與所述第一基準(zhǔn)電流(I00)相比較，確定所述所選相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元是否處于復(fù)位狀態(tài)；其特征在于如果所述所選相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元未處于復(fù)位狀態(tài)，則向所述所選位線施加第二偏壓(VBL、V01)，所述第二偏壓(VBL、V01)大于所述第一偏壓(VBL、V00)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法包括將響應(yīng)于施加所述第二偏壓(Utll)而流 過(guò)所述所選位線的第二讀出電流(Ikmi)與第二基準(zhǔn)電流(Itll)相比較，其中所述第二基準(zhǔn) 電流(Itll)使得當(dāng)所述所選相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元處于第一中間結(jié)晶狀態(tài)時(shí)所述第二讀出電 流(Ikdci1)與所述第二基準(zhǔn)電流(Itll)處于第一關(guān)系，否則所述第二讀出電流(Ikmi)與所述 第二基準(zhǔn)電流(Itll)處于第二關(guān)系；以及基于將所述第二讀出電流(Iemi)與所述第二基準(zhǔn)電流(Itll)相比較，確定所述所選相 變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元是否處于所述第一中間結(jié)晶狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，該方法包括如果尚未確定所述所選相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單 元的編程狀態(tài)，則向所述所選位線(9)施加另一偏壓(VBp Vltl),所述另一偏壓(I、V10)大 于先前施加于所述所選位線的任何偏壓(VbPVc^Vci1)；將響應(yīng)于施加所述另一偏壓(Vp V10)而流過(guò)所述所選位線的另一讀出電流(Ikdici)與 另一基準(zhǔn)電流(Iltl)相比較，其中所述另一基準(zhǔn)電流(Iltl)使得如果所述所選相變存儲(chǔ)器存 儲(chǔ)單元處于另一中間結(jié)晶狀態(tài)，則所述另一讀出電流(Ikdici)與所述另一基準(zhǔn)電流(Iltl)處 于第一關(guān)系，否則所述另一讀出電流(Iedici)與所述另一基準(zhǔn)電流(Iltl)處于第二關(guān)系；以及基于將所述另一讀出電流(Iedici)與所述另一基準(zhǔn)電流(Iici)相比較，確定所述所選相 變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元是否處于所述另一中間結(jié)晶狀態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中如果尚未確定所述所選相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元的編程狀態(tài)，則向所述所選位線(9)施加 另一偏壓(VbJ，所述另一偏壓(VbJ大于先前施加于所述所選位線的任何偏壓(VpV.Vu、 V10)；將響應(yīng)于施加所述另一偏壓(VbJ而流過(guò)所述所選位線的另一讀出電流與另一基準(zhǔn)電 流相比較，其中所述另一基準(zhǔn)電流使得如果所述所選相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元處于另一中間結(jié) 晶狀態(tài)，則所述另一讀出電流與所述另一基準(zhǔn)電流處于第一關(guān)系，否則所述另一讀出電流 與所述另一基準(zhǔn)電流處于第二關(guān)系；以及基于將所述另一讀出電流與所述另一基準(zhǔn)電流相比較，確定所述所選相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ) 單元是否處于所述另一中間結(jié)晶狀態(tài)；重復(fù)上述操作直至滿足以下條件之一已經(jīng)進(jìn)行所述所選相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元處于所述另一中間結(jié)晶狀態(tài)之一的確定；以及已經(jīng)進(jìn)行所述所選相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元未處于所述另一中間結(jié)晶狀態(tài)中的任何一個(gè) 的確定。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，該方法包括如果已經(jīng)進(jìn)行所述所選相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單 元未處于所述另一中間結(jié)晶狀態(tài)中的任何一個(gè)的確定，則確定所述所選相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單 元處于設(shè)定狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法還包括選擇多個(gè)位線和多個(gè)相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元，每個(gè)相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元連接到所述多個(gè) 所選位線中的相應(yīng)的一個(gè)；以及取消對(duì)已確定其實(shí)際編程狀態(tài)的所選相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元中的每一個(gè)的選擇。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，該方法還包括感測(cè)設(shè)備工作溫度(Tc)；以及基于所述 設(shè)備工作溫度(T。)來(lái)調(diào)整所述第一偏壓(VJ。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，該方法還包括基于所述設(shè)備工作溫度來(lái)選擇第二偏壓 水平和任何另一偏壓水平。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法包括校驗(yàn)所述所選相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元的編程 狀態(tài)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述校驗(yàn)包括向所述所選相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元施加校驗(yàn)偏壓(Vv)；感測(cè)響應(yīng)于所述校驗(yàn)偏壓(Vv)而流過(guò)所述所選相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元的校驗(yàn)電流(Iv)；以及將所述校驗(yàn)電流(Iv)與包括各電流期望值(IEQQ、IEQ1、IE1Q、IE11)的各校驗(yàn)電流范圍(Rv) 相比較。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，該方法包括如果所述校驗(yàn)電流(Iv)在所述校驗(yàn)電流 范圍(Rv)之外，則對(duì)讀出數(shù)據(jù)⑶重新編程。
12.—種相變存儲(chǔ)器設(shè)備，該相變存儲(chǔ)器設(shè)備包括多個(gè)相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元，該相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元以行和列布置并耦合到各個(gè)字線和 位線；選擇電路，該選擇電路用于選擇所述位線和耦合到所選位線的相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元；偏置電路，該偏置電路用于向所述所選位線施加第一偏壓(VpVcitl)；以及感測(cè)電路，該感測(cè)電路用于將響應(yīng)于所述第一偏壓(VpVcitl)而流過(guò)所述所選位線的第 一讀出電流(I 。)與第一基準(zhǔn)電流(IcJ相比較，其中所述第一基準(zhǔn)電流(IJ使得當(dāng)所選 相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元處于復(fù)位狀態(tài)時(shí)所述第一讀出電流(Ikdcici)與所述第一基準(zhǔn)電流(Im) 處于第一關(guān)系，否則所述第一讀出電流(Ikdcici)與所述第一基準(zhǔn)電流(IcJ處于第二關(guān)系，其 中所述感測(cè)電路可操作用于基于將所述第一讀出電流(Ikdcici)與所述第一基準(zhǔn)電流(Icici)相 比較來(lái)確定所述所選相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元是否處于復(fù)位狀態(tài)；其特征在于所述偏置電路可操作用于如果所述所選相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元未處于復(fù)位 狀態(tài)，則向所述所選位線施加第二偏壓(Vp Vtll)，所述第二偏壓(Vp V01)大于所述第一偏 壓(VBL>V00)o
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的相變存儲(chǔ)器設(shè)備，其中所述偏置電路包括電壓調(diào)節(jié)元件，該電壓調(diào)節(jié)元件用于通過(guò)所述選擇電路而選擇性地與所述所選位線耦合；以及電壓控制電路，該電壓控制電路用于驅(qū)動(dòng)所述電壓調(diào)節(jié)元件，使得包括所述第一偏壓 (Vbl^V00)的多個(gè)偏壓(VbJ之一被施加于相應(yīng)的位線。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的相變存儲(chǔ)器設(shè)備，其中所述感測(cè)電路包括基準(zhǔn)模塊，該基準(zhǔn)模塊用于選擇性地施加包括所述第一基準(zhǔn)電流(IJ的多個(gè)基準(zhǔn)電 流(Ikef)之一；以及感測(cè)放大器，該感測(cè)放大器用于通過(guò)所述選擇電路而選擇性地與所述所選位線耦合且 可操作用于感測(cè)流過(guò)所述所選位線的讀出電流(Ikd)，所述讀出電流(Ikd)包括所述第一讀 出電流(Iedoo)。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的相變存儲(chǔ)器設(shè)備，其中所述感測(cè)電路具有耦合到所述偏置電路的取消選擇輸入端的輸出端，該輸出端用于響 應(yīng)于至少所述第一讀出電流(Ικ_)與所述第一基準(zhǔn)電流(IcJ處于所述第一關(guān)系而提供數(shù) 據(jù)識(shí)別信號(hào)(DREC)；以及所述偏置電路可操作用于響應(yīng)于所述數(shù)據(jù)識(shí)別信號(hào)(DREC)而取消所述所選位線的選擇。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的相變存儲(chǔ)器設(shè)備，該相變存儲(chǔ)器設(shè)備還包括用于供應(yīng)溫度 信號(hào)(Te)的溫度傳感器，所述溫度信號(hào)(T。)是所述相變存儲(chǔ)器設(shè)備的工作溫度。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的相變存儲(chǔ)器設(shè)備，其中所述偏置電路耦合到所述溫度傳感 器且可操作用于基于所述溫度信號(hào)(T。)來(lái)調(diào)整所述第一偏壓(VpVj。
18.一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括 控制單元；以及根據(jù)權(quán)利要求12所述的相變存儲(chǔ)器設(shè)備(1)，該相變存儲(chǔ)器設(shè)備耦合到處理單元。
全文摘要
提供一種用于相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元的多級(jí)讀取的方法，首先選擇位線(9)和PCM存儲(chǔ)單元(2)并向所選位線(9)施加第一偏壓(VBL、V00)。將響應(yīng)于第一偏壓(VBL、V00)而流過(guò)所選位線(9)的第一讀出電流(IRD00)與第一基準(zhǔn)電流(I00)相比較。第一基準(zhǔn)電流(I00)使得第一讀出電流(IRD00)在所選PCM存儲(chǔ)單元(2)處于復(fù)位狀態(tài)時(shí)低于第一基準(zhǔn)電流(I00)，否則第一讀出電流(IRD00)大于第一基準(zhǔn)電流(I00)。然后基于將第一讀出電流(IRD00)與第一基準(zhǔn)電流(I00)相比較來(lái)確定所選PCM存儲(chǔ)單元(2)是否處于復(fù)位狀態(tài)。如果所選PCM存儲(chǔ)單元(2)未處于復(fù)位狀態(tài)，則向所選位線(9)施加大于第一偏壓(VBL、V00)的第二偏壓(VBL、V01)。
文檔編號(hào)G11C11/56GK101908374SQ20091020718
公開(kāi)日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2009年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月29日
發(fā)明者C·雷斯塔, F·貝代斯基, M·費(fèi)拉托 申請(qǐng)人:恒憶公司