專利名稱：具有開關的相變存儲器的節(jié)能置位寫入的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及包括半導體器件的電子學領域，并且更具體地，涉及改善具有開關的 相變存儲器(PCMS)的寫入置位(SET)操作。
背景技術(shù)：
動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)和靜態(tài)隨機存取存儲器(SRAM)技術(shù)被廣泛地用于在 電子系統(tǒng)中存儲信息。然而，DRAM和SRAM 二者均是易失性存儲器，其每當斷電時丟失所存 儲的信息。為了避免數(shù)據(jù)和/或代碼的丟失，期望在非易失性存儲器中存儲某些信息，對于 諸如移動因特網(wǎng)設備(MID)或移動臺的便攜電子系統(tǒng)尤其如此。閃速存儲器是一種非易失性存儲器。然而，雖然具有高密度，但是閃速存儲器不可 縮小為很小的尺寸，因為信息被存儲為在浮柵(floating gate)中的電荷。每比特電子數(shù) 量的減少可能最終使得所存儲的信息的可靠性變差。具有開關的相變存儲器(PCMS)是一種非易失性存儲器，其可縮小到極小的尺寸。 PCMS設備可以被配置來允許比特選擇性擦除，因為可以通過選擇比特線和字線的組合來獨 立地尋址每個存儲單元。


在說明書的結(jié)論部分具體指出并且清楚地要求保護視為本發(fā)明的主題。然而，通 過在閱讀附圖時參考下文的詳細描述，可以最佳地理解關于本發(fā)明的操作的組織和方法及 其目的、特征和優(yōu)點。圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的、被組織為比特線和字線的、具有開關的相 變存儲器(PCMQ的陣列；圖2示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的雙向閾值開關(OTS)的對數(shù)電流對電壓的 圖；圖3示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的復位(RESET)狀態(tài)的相變存儲器(PCM)的對 數(shù)電流對電壓的圖；圖4示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的PCMS的對數(shù)電流對電壓的圖；圖5示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的PCM的對數(shù)電壓對電流的圖；圖6示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的存儲單元的陣列的閾值電壓的累積概率圖；圖7示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的相變存儲器存儲元件，該相變存儲器存儲元件具 有非晶體，該非晶體具有導電絲；以及圖8示出包括本發(fā)明的各個實施例的電子設備的方框圖。
具體實施例方式在下面的詳細描述中，給出了節(jié)能PCMS的多個具體細節(jié)以提供對本發(fā)明的透徹 理解。然而，本領域技術(shù)人員將理解，可以在沒有這些具體細節(jié)的情況下實踐本發(fā)明。在其他實例中，未詳細描述公知的方法、過程、組件和電路，以免模糊本發(fā)明。提供用于降低相變存儲器(PCM)存儲元件的寫入的能耗的方式將是本領域中的 進步。PCM元件可以被配置為包括諸如雙向閾值開關(0TQ的開關的組合設備，以形成PCMS 設備。可以僅使用通常用于對具有完全結(jié)晶的PCM存儲元件的PCMS設備進行置位的能量 的一部分來對PCMS設備進行復位。較高的能耗是因為與對PCM存儲元件進行復位所需的 時間相比較，需要相對更長的時間來使整個PCM存儲元件結(jié)晶。提供裝置和方法以提供可以僅使用對PCMS設備進行置位原本所需的能量的一部 分來對該PCMS設備進行置位是有益的。包括PCMS的節(jié)能存儲器設備和相關方法的使用對 于用在使用存儲器設備的電子設備中，尤其是用在具有有限能源的那些電子設備中將是有 益的，所述電子設備諸如包括蜂窩電話、移動因特網(wǎng)設備、上網(wǎng)本和其他移動設備的電池供 電臺。一種這樣的方法包括通過使用一個或多個低能置位脈沖來對具有雙向閾值開關 (OTS)和PCM存儲元件的具有開關的相變存儲器(PCMQ進行寫入(置位)，所述一個或多 個低能置位脈沖不會使相變材料完全結(jié)晶，而是在原本的非晶體中創(chuàng)建一個或多個晶絲、 導電絲或部分結(jié)晶區(qū)域。雖然該置位處理可能并不必然將相變材料的電阻降低到在傳統(tǒng)相 變存儲器(其中不存在諸如OTS的快速回轉(zhuǎn)選擇器(snap-back selector))中觀察到的水 平，但是其可以充分地降低相變材料的閾值電壓，以使能在劃界電壓讀取期間PCMS單元的 快速回轉(zhuǎn)。另一種方法可以包括使用低能置位脈沖來達到雙向閾值開關(OTS)的閾值， 并且對在具有開關的相變存儲器(PCMQ的PCM存儲元件中的相變材料(PCM)進行寫入，其 中，PCM存儲元件在對PCM進行寫入和使用劃界電壓來對PCMS進行讀取后包括非晶體?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)向附圖，圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的、被組織為比特線105和字 線110的PCMS 50的陣列。如在圖1中的本發(fā)明的實施例所示，PCMS包括相變存儲器(PCM) 元件20、加熱器元件15和快速回轉(zhuǎn)選擇器或訪問元件(access element) 10。在替代實施 例中，PCMS不包括加熱器元件15。PCM存儲元件20包括相變材料。在本發(fā)明的一個實施例中，相變材料可以包括兩 個屬性(a)它可以在室溫下長時間(諸如幾年)局部處于不結(jié)晶的非晶相，以及(b)如果 溫度被提高到大約攝氏100至350攝氏度(C)，則該非晶相可以迅速地結(jié)晶。通常，相變材料的結(jié)晶時間隨著溫度增加而縮短。例如，如果非晶PCM存儲元件20 被加熱到大約150C，則其將在大約一分鐘內(nèi)結(jié)晶。如果非晶PCM被快速地加熱到大約200C， 其將在一秒內(nèi)結(jié)晶。如果非晶PCM例如通過脈沖被非常迅速地加熱到大約300C，則其將在 一微秒內(nèi)結(jié)晶。因此，相變材料可以在兩個相之一或兩個相的組合中保持局部穩(wěn)定。對于 相變材料，結(jié)晶相比非晶相在能量上更有益(更低的自由能)?？梢詾镻CM存儲元件20選擇具有廣泛不同屬性的各種各樣的相變材料類型。相 變材料可以包括化學計量化合物和非化學計量化合物。相變材料可以包括共晶材料或包晶 材料。相變材料可以包括單相材料或多相材料。相變材料可以被摻雜各種元素。在本發(fā)明 的一個實施例中，相變材料可以具有二元成分、三元成分或四元成分。在本發(fā)明的另一個實 施例中，相變材料可以具有偽二元成分。如果相變材料包括來自周期表的VI A族的至少一種元素，則它被稱為硫族化物合 金。一些相變材料包括來自III A族、V A族和VI A族的元素。示例包括feisyre*hsyre。其他相變材料包括來自IVA族、VA族和VIA族的元素。周期表的III A族包括諸如鎵和銦 的元素。周期表的IV A族包括諸如硅、鍺和錫的元素。周期表的V A族包括諸如磷、砷、銻 和鉍的元素。周期表的VI A族包括諸如硫、硒和碲的元素。在本發(fā)明的一個實施例中，相變材料可以包括來自周期表的I B族的一種或多種 元素，諸如銀或金。在本發(fā)明的另一個實施例中，相變材料也可以包括來自周期表的VIII B 族的一種或多種元素，諸如鈷或鈀。圖2示出諸如雙向閾值開關(OTS)的快速回轉(zhuǎn)選擇器或訪問元件10的對數(shù)電流 對電壓的圖。以在低電場的高電阻(復位)狀態(tài)開始，在訪問元件10中的電流隨著以很小 的電流提高電壓而提高205，直到達到閾值電壓Vth ras。在快速回轉(zhuǎn)210后，只要大于保持電流Ih ots的電流正流過訪問元件10，在訪問元 件10中就維持高導通動態(tài)(highly conductive dynamic) ON(開啟)狀態(tài)215。該瞬態(tài)高 導通狀態(tài)原始是電子的，并且不涉及訪問元件10中的任何相變。當超過訪問元件10的閾值電壓Vth ots時，訪問元件10從OFF(關閉)狀態(tài)切換到 ON狀態(tài)，并且允許電流流過與訪問元件10串聯(lián)的相變材料存儲元件20。在ON狀態(tài)，當流 過訪問元件10的電流增大時，在訪問元件10上的電壓電勢保持接近保持電壓(VH,QTS)。訪問元件10可以保持在ON狀態(tài)，直到通過訪問元件10的電流降低到低于保持電 流(IH ras)。在該值以下，訪問元件10可以返回到高阻抗、不導通的OFF狀態(tài)，直到再一次超 過Vth ots或Ith W每當被引導時，訪問元件10可以重復且可逆地在OFF狀態(tài)和ON狀態(tài)之 間切換，但是它不結(jié)晶。如果僅一比特的數(shù)據(jù)被存儲在PCMS 50中，則PCMS 50具有單層單元(SLC)。與在 每個PCMS 50內(nèi)的2個邏輯狀態(tài)對應的數(shù)據(jù)值包括“ 1，，和“0”。因此，在PCM存儲元件20 中的相變材料可以從諸如復位狀態(tài)的一個獨特存儲器狀態(tài)被寫入(編程)為諸如置位狀態(tài) 的另一個獨特存儲器狀態(tài)。圖3示出單個PCM存儲元件20的對數(shù)電流對電壓的圖，該PCM存儲元件20不具 有串聯(lián)的快速回轉(zhuǎn)選擇器或訪問元件10。以在低電場的高電阻(復位)狀態(tài)開始，在PCM 存儲元件20中的電流305保持為小，但是當電壓增大時非線性地增大，直到達到相變材料 的閾值電壓VTH,rcM。在電壓快速回轉(zhuǎn)310后，只要比保持電流IH, pcm更大的電流正流過PCM存儲元件 20，在PCM存儲元件20中就維持高導通動態(tài)ON狀態(tài)315。與上面所描述的PCM配置相反，本發(fā)明的實施例使用如圖1中所示的PCMS 50配 置。PCMS 50配置與該PCM配置不同之處在于PCMS 50配置包括存儲單元5，存儲單元5具 有相變存儲器(PCM)存儲元件20和也稱為雙向閾值開關(0化)的快速回轉(zhuǎn)選擇器或訪問 元件10。與存儲單元5的存儲元件20中的相變材料類似，訪問元件10也展現(xiàn)閾值轉(zhuǎn)換。 然而，訪問元件10和存儲元件20可以包括具有不類似的閾值電壓Vth和閾值電流Ith的不 同類型的材料。本發(fā)明的實施例與由訪問元件10展現(xiàn)的閾值轉(zhuǎn)換和快速回轉(zhuǎn)行為相關聯(lián)。 轉(zhuǎn)換訪問元件10開啟和關閉可以控制對存儲單元5中的存儲元件20的訪問。為訪問元件10選擇容易成玻璃材料，以使得結(jié)晶非常緩慢。在沒有電壓和電流的 情況下，訪問元件10在室溫下是非晶的。在加熱和施加電壓和/或電流后訪問元件10的結(jié)晶程度是可忽略的。與存儲單元5的存儲元件20中的相變材料不同，訪問元件10在關 斷電壓和電流后返回到非晶狀態(tài)。如圖1中所示，在PCMS 50中的存儲單元5的陣列可以被組織為比特線105為列和 字線205為行。比特線105和字線205包括由諸如銅的傳導材料形成的導體。在本發(fā)明的 不同實施例中，PCMS 50中的特征的邏輯安排或物理布置可以在布局上不同。存儲單元5可 以可選地包括鄰近PCM存儲元件20并且與其熱接觸的加熱器元件15。加熱器元件15 (當 存在時)可以具有噴頭或微槽的拓撲(未示出)。加熱器元件15還包括由傳導材料形成的導體。傳導材料可以包括鈦(Ti)、氮化 鈦(TiN)、鎢化鈦mw)、碳(C)、碳化硅(SiC)、氮鋁化鈦(TiAlN)、氮化硅鈦(TiSiN)、多晶 硅或氮化鉭(TaN)等。訪問元件10可以位于朝向存儲元件20的比特線105側(cè)(如圖1中所示)或朝向 存儲元件20的字線205側(cè)(未示出)。然而，訪問元件10不位于加熱器15(當存在時)和 存儲元件20之間。在訪問元件10接通后，電流將流過串聯(lián)的加熱器元件15 (當存在時)。加熱器元 件15(當存在時)是電阻元件，其在置位或復位寫入脈沖期間例如通過焦耳加熱來向存儲 元件20傳送熱量。如果不存在加熱器元件15，則焦耳加熱主要在存儲元件20中發(fā)生。可以尋址在陣列中的比特線105和字線205的特定組合以對存儲單元5進行訪 問。在選擇了耦合到比特線105和字線205的存儲單元5后，施加電壓電勢以對存儲單元 5中的存儲元件20進行讀取或?qū)懭搿Ｔ趯CMS 50的讀取操作期間，向存儲單元5施加劃 界點電壓，以詢問在存儲元件20中的相變材料的狀態(tài)。如果存儲單元5在置位狀態(tài)，則達 到存儲單元5的閾值，并且通過感測電路感測到電流。然而，如果存儲單元5在復位狀態(tài)， 則沒有達到閾值，并且沒有電流通過感測電路被感測到。在圖1中未示出PCMS 50的設備 架構(gòu)的某些特征，以免模糊本發(fā)明?？赡芪词境龅囊恍┨卣鞯氖纠ㄗ鳛殡娏髟?、脈沖發(fā) 生器、感測放大器和電壓預充電器的晶體管電路。一旦OTS 10和PCM存儲元件20串聯(lián)，則建立PCMS 50的組合閾值電壓Vth rcMS。如 果在PCMS 50中的PCM存儲元件20完全結(jié)晶，則Vth pcm是零或基本是0，從而訪問元件的Vth
定等于Vthpqk。如圖4中所示，本發(fā)明的實施例設想節(jié)能的寫入處理來對PCMS 50的 存儲元件20中的相變材料進行置位。根據(jù)本發(fā)明的實施例，可以在寫入(置位)處理中使 用一個或多個低能脈沖。針對特定PCMS 50技術(shù)的足夠置位到復位和復位到置位的統(tǒng)計被 收集并用于確定本發(fā)明中寫入(置位)處理的電流(幅度)對時間(脈沖寬度)的最佳輪 廓。這將適應于PCMS 50的存儲單元5中包括相變材料的PCM存儲元件20內(nèi)的可變性。當使用PCMS 50配置時，在PCM存儲元件20中的相變材料不必像在傳統(tǒng)僅PCM存 儲器中那樣完全被置位為Vw PCM = 0o完全結(jié)晶的相變材料具有Vth pcm = 0，而非晶的相變材 料具有Vth pcm = 1-4V，其依賴于相變材料的成分和存儲單元5的幾何形狀。在完全結(jié)晶的 相變材料中Vth pcm = 0的閾值電壓將對應于(電流電平等于Ith 時)在PCM存儲元件20 上的電壓降VrcM :VPCMiITH 0TS = 0. 00IV (作為說明性示例，假定在PCM存儲元件20中Ith ots = ΙμΑ，并且置位電阻為1千歐姆)。然而，在PCMS配置中，相變材料可以被置位為其中VrcM@ Ithots < 0. 4V的狀態(tài)(其中，Vpcm是在圖4和圖5中的電壓470)，對此而言，對應的PCMS電 流-電壓曲線是405。PCMS 50可以被配置為具有第一電路，用于對PCMS 50寫入置位狀態(tài)；以及第二電路，用于對PCMS 50寫入復位狀態(tài)，其中，第一電路是比第二電路電流更低 的電路。可替代地，可以使用同一電路來對PCMS 50寫入置位狀態(tài)和復位狀態(tài)。如圖7中所示，創(chuàng)建導電絲705允許能量比傳統(tǒng)置位脈沖低得多的置位脈沖，該導 電絲705可以是在PCM存儲元件20的非晶體710中的晶絲，PCM存儲元件20包括結(jié)晶體 715、非晶體710和導電絲705，所述傳統(tǒng)置位脈沖使PCM存儲元件20的相變材料完全結(jié)晶， 從而VTHrcM = 0。此外，根據(jù)本發(fā)明的實施例，置位脈沖電流的幅度是復位脈沖電流的幅度的 10-15%或更小。在另一個實施例中，置位脈沖電流的幅度是復位脈沖的大約1%。在如圖7中所示的本發(fā)明的實施例中，導電絲705從加熱器元件15通過非晶體 710向PCM存儲元件20的結(jié)晶體715延伸。雖然VpcmOIth ots顯著地降低到0. 4V，但是相變 材料的電阻可能未從其原始復位電阻值有同樣多的降低，并因此可能仍然很高，例如是完 全結(jié)晶的單元的最小置位電阻的10-100倍。低能置位脈沖不能在其中測量電阻以確定單 元的狀態(tài)的僅PCM存儲器中獲得足夠的電阻對比。VPCMiITH 0TS由于導電絲705而容易降低到0. 4V或更小，但是，電阻不會同樣迅速地 降低。0.4V被用作電壓降470的說明性示例，與相變材料的復位狀態(tài)的Vthpqi= 1-4V相比 較，電壓降470較低。可以從范圍0. 1-0. 5V選擇電壓降470的其他值。圖5示出沒有諸如OTS的開關的兩種不同相變材料(第一相變材料510和第二相 變材料520)的對數(shù)電壓對電流的圖。在兩種情況下，在施加電流幅度(水平軸)之前，已 經(jīng)將相變材料預先調(diào)整為(非晶)復位狀態(tài)。垂直軸示出在固定給定電流Imras處在PCM 存儲元件20上的電壓降VrcM，固定給定電流I111, ots可以表示OTS的閾值電流(雖然在該示 例中不存在0TS)，并且例如可以是1微安。相變材料510具有更陡的置位曲線，并且相對于 相變材料520可以是更適合于存儲元件20的候選材料，因為在包括OTS的PCMS單元中將 該材料編程到VrcM@ITroTS <0. 4V(電壓降470)的狀態(tài)需要的電流更低。這兩種相變材料可 以共享類似的復位曲線530。在讀取處理中，劃界電壓需要比Vth ots略高，例如高出電壓降470。一旦在讀取處 理中出現(xiàn)訪問元件10快速回轉(zhuǎn)，則由于與存儲單元5的兩個端子的連接性相關聯(lián)的寄生電 阻電容之積RC而使得電壓從訪問元件10傳送到PCM存儲元件20。在劃界讀取處理中，如果所傳送的電壓減去相變材料(不必通過所述傳送對其進 行任何進一步提供)處諸如0. 4V的電壓降470大于PCM存儲元件20的閾值電壓Vth pcm,則 在存儲單元5中的PCM存儲元件20也將經(jīng)歷觸發(fā)的電子閾值轉(zhuǎn)換和快速回轉(zhuǎn)410，就像訪 問元件10之前已經(jīng)快速回轉(zhuǎn)那樣。因此，訪問元件10用作放大器，并且訪問元件10的電 壓降在PCM上降低。以這種劃界讀取機制，如果當在電流等于OTS 10閾值電流的情況下劃界電壓大 于OTS 10閾值電壓與存儲元件20的電壓降470之和時，存儲單元5中的PCM存儲元件20 具有小于快速回轉(zhuǎn)電壓210和電壓降470之和的閾值電壓，則存儲單元5中的相變材料將 快速回轉(zhuǎn)。在上面的示例中，對于單個存儲單元，可以使用在電壓范圍450內(nèi)的劃界讀取電 壓(圖4)。在本發(fā)明的實施例中，電壓范圍450是2-4V寬。圖6示出PCMS 50的存儲單元5的陣列的累積概率圖對閾值電壓。被標示為200 的線表示在PCMS 50的置位狀態(tài)下閾值電壓(完全結(jié)晶，因此等于OTS的閾值電壓)的分
8布，并且，被標示為300的線表示在PCMS 50的復位狀態(tài)下閾值電壓的分布。在存儲單元5 的陣列中，讀取劃界電壓必須位于電壓范圍630內(nèi)，因此必須比具有最高OTS閾值電壓610 的PCMS 50的存儲單元5高諸如0.4V的電壓降470。此外，讀取劃界電壓必須比具有最低 復位閾值電壓620的PCMS 50的存儲單元5低。因此，與要求相變材料的完全結(jié)晶的相變存儲器的傳統(tǒng)電阻讀取方案相反，可以 放松對電壓劃界點讀取的置位電阻要求。存儲單元5不必被編程為傳統(tǒng)方案原本對于讀取 電阻所要求的低阻態(tài)。如圖5中所示的狀態(tài)540和550的電阻可以仍然很高，諸如是完全 結(jié)晶的相變材料的最小置位電阻的10-100倍。結(jié)果，使用與PCMS 50配置組合的置位方法(S卩，當存在諸如OTS的展現(xiàn)閾值轉(zhuǎn)換 的訪問元件10時)而不減小讀取窗口大小或信噪比，所放松的置位要求允許通過使用用 于置位寫入操作的低能量置位脈沖來使用較低的置位能量，這是因為相變材料不必完全結(jié) 晶。在用于僅PCM存儲器的傳統(tǒng)讀取方案中，與完全結(jié)晶的置位狀態(tài)相比較，這種置位方法 將置位電阻提高例如10-100倍，因此，顯著地減小讀取窗口大小和信噪比。因此，置位與復 位能量比率不必像100 1或甚至10 1那么高，而可以接近1 1。例如，置位電流可以 比不使用訪問元件10的僅PCM存儲器中低10到20倍。使用這樣的讀取機制，置位電流幅度可以低至復位電流的1%，并且不必大于復位 電流的至多10-15%。例如，如果復位電流在1. 5毫安左右，則可以使用大約15微安電流來 對存儲單元5進行置位，因為置位僅在存儲元件20的非晶體中創(chuàng)建導電絲，其中，導電絲可 以是晶絲或部分結(jié)晶絲。復位電流依賴于存儲單元5的架構(gòu)和大小。例如，對于小得多的單元或不同的架 構(gòu)(未示出)，復位電流可以比1.5毫安小得多，例如是0.2毫安。然而，置位幅度則將成比 例地減小，從而復位電流的0.5% -20%將仍然足以使在存儲元件20的非晶體中的導電絲結(jié)晶。電流流動的持續(xù)時間依賴于(a)訪問元件10、相變材料(在存儲元件20中)、加 熱器15 (如果存在)和周圍的材料的導熱率；(b)(以比特計的)非晶體的形狀和大?。灰?及(c)PCMS 50的設備架構(gòu)(邏輯和物理布局)。在本發(fā)明的一個實施例中，置位脈沖寬度(電流流動的持續(xù)時間)是大約250-500 納秒。在本發(fā)明的另一個實施例中，置位脈沖寬度是大約125-250納秒。在本發(fā)明的另外 的實施例中，置位脈沖寬度是大約45-125納秒。在本發(fā)明的再另一個實施例中，置位脈沖 寬度是大約10-45納秒。在一些相變材料中，必要的脈沖寬度可能高達500納秒，而脈沖幅 度很低，因此仍然可以獲得期望的低能量或功率。與訪問元件10類似的特性可以被應用到基于晶閘管的選擇器，諸如SCR或DIAC。 在本發(fā)明的一個實施例中，訪問元件10包括晶閘管(未示出)。晶閘管具有陽極、陰極和柵 極。在晶閘管中的兩個晶體管彼此饋送(通過它們各自的基極電流)，因此晶閘管作為互補 型再生開關來工作。在被接通后，即使移除了(通過字線)被施加到柵極的電壓，晶閘管也保持導通。 因此，通過到柵極的短脈沖，可以觸發(fā)或激活晶閘管，而來自字線的電壓信號在整個訪問時 間期間不必保持為高。用于未選擇的比特線的晶閘管不導通，因為它們被有效地短路。此 外，大大地降低了通過未選擇的比特線的任何泄漏。
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根據(jù)情況，可以通過下述方式截止或停用晶閘管將電壓降低到低于預定的最小 保持電壓，例如通過諸如將比特線(耦合到陽極)降低到源極線(耦合到陰極)的電壓來 使陽極和陰極短路，該源極線在本發(fā)明的一個實施例中可以接地。如果諸如比特線到源極線的電壓的陽極到陰極電壓保持為低，例如低于2伏特， 則晶閘管用作開路電路，并且使存儲元件電隔離。然而，如果將比特線電壓提高到高于源極 線電壓，諸如基本上高2伏特，則晶閘管擊穿，電壓快速回轉(zhuǎn)，晶閘管變?yōu)楸患せ?，并且晶閘 管導通。當晶閘管正導通時，相關聯(lián)的存儲元件變?yōu)殡婑詈系奖忍鼐€，并且可獲得來進行存 取，例如用于編程(寫入)或讀取操作。在本發(fā)明的另一個實施例中，訪問元件10包括具有4層配置的半導體控制整流器 (SCR)，諸如在襯底上形成的垂直定向的pnpn結(jié)構(gòu)(未示出)。 在本發(fā)明的又另一個實施例中，訪問元件10包括一對SCR，該對SCR共享在襯底中 形成的水平定向的pnpn結(jié)構(gòu)(未示出)。在圖7中，將復位狀態(tài)的相變材料中的非晶體示出為非晶半球或圓頂?？商娲兀?對于存儲元件20中的非晶體可以使用其他拓撲。例如，取決于PCMS 50的設備架構(gòu)，非晶 體可以包括非晶線(未示出)或非晶橋(未示出)。此外，在另一個實施例中，可以沒有加 熱器元件15。其他實施例甚至還可以在復位處理中使用PCM存儲元件20的完全非晶化，基 本上不留下任何結(jié)晶體。在圖7所示的本發(fā)明的實施例中，節(jié)能寫入脈沖在PCMS 50的諸如非晶圓頂?shù)姆?晶體710內(nèi)形成導電絲705。導電絲705可以是結(jié)晶的?？梢曰蚩梢圆煌ㄟ^將在非晶圓頂 內(nèi)的一系列相鄰的小局部晶核中心合并在一起來形成導電絲705。PCM存儲元件20可以與 其他電極材料(未示出)直接鄰近并且電接觸。15微安或更大的置位電流可以大于PCM存儲元件20或訪問元件10的閾值電流， 該閾值電流在兩種情況下通常介于0. 1微安和10微安之間。因此，PCM存儲元件20和訪 問元件10 二者在置位脈沖(寫入)期間處于開啟狀態(tài)。如果PCM存儲元件20處于開啟狀 態(tài)，則高導電絲可能已經(jīng)存在，其當置位脈沖關斷時仍保持導通(或變?yōu)榻Y(jié)晶)。如圖7中所示，雖然非晶體710或圓頂可以保持為幾乎相同的大小，但是導電絲最 終延伸完全通過非晶體710或圓頂，并且允許電流流動。形成導電絲降低了相變材料的閾 值電壓，但是可能并不必然將電阻降低到用于相變材料的傳統(tǒng)基于電阻的讀取方案所需要 的水平。為了在PCM存儲元件20將VreM@ITH 0TS降低到0. 4V，諸如晶絲或部分結(jié)晶區(qū)域的導 電絲705必須從加熱器15 (當存在時)延伸完全通過非晶圓頂710，在非晶圓頂710外部， 相變材料總是結(jié)晶的。圖8說明了包括本發(fā)明的各個實施例的電子設備的方框圖。電子設備800可以包 括耦合到互連網(wǎng)絡或總線804的一個或多個主處理器或中央處理單元(CPU) 802(其可以在 此被統(tǒng)稱為“多個處理器802”或更一般地統(tǒng)稱為“處理器802”)。處理器802可以是任何 類型的處理器，諸如通用處理器、網(wǎng)絡處理器(其可以處理通過計算機網(wǎng)絡傳送的數(shù)據(jù))等 (包括精簡指令集計算機(RISC)處理器或復雜指令集計算機(CISC))。此外，處理器802 可以具有單核或多核設計。具有多核設計的處理器802可以將不同類型的處理器核心集成 在同一集成電路(IC)硅核上。此外，具有多核設計的處理器802可以被實現(xiàn)為對稱或不對 稱的多處理器。
處理器802可以包括一個或多個高速緩存803，在各個實施例中，該一個或多個 高速緩存803可以是專用的和/或共享的。通常，高速緩存803存儲與在其他位置存儲或 較早計算的原始數(shù)據(jù)對應的數(shù)據(jù)。為了降低存儲器訪問時延，一旦數(shù)據(jù)被存儲在高速緩存 803中，就可以通過訪問被緩存的拷貝而不是重新獲取或重新計算原始數(shù)據(jù)來進行未來的 使用。在各個實施例中，高速緩存803包括圖1的PCMS 50。芯片組806可以另外耦合到互連網(wǎng)絡804。芯片組806可以包括存儲器控制中心 (MCH) 808ο可替代地，處理器802和MCH 808可以被組合來形成單個芯片。MCH 808可以 包括耦合到存儲器812的存儲器控制器810。存儲器812可以存儲數(shù)據(jù)，例如包括由處理 器802或與電子設備800的組件進行通信的任何其他設備執(zhí)行的指令序列。在各個實施例 中，存儲器812包括一個或多個易失性儲存器或非易失性存儲器設備，諸如圖1的PCMS50。在各個實施例中，存儲器812可以包括以下項中一項或多項操作系統(tǒng)(0/S)832、 應用程序834、設備驅(qū)動程序836、緩沖器838、功能驅(qū)動程序840和/或協(xié)議驅(qū)動程序842。 處理器802與通過無線電862耦合到網(wǎng)絡845的一個或多個計算設備一起執(zhí)行各種命令并 且處理一個或多個分組。在各個實施例中，應用程序834可以使用操作系統(tǒng)832來例如通過設備驅(qū)動程序 836和/或功能驅(qū)動程序840與電子系統(tǒng)800的各個組件進行通信。如圖8中所示，通信設備830包括第一網(wǎng)絡協(xié)議層850和第二網(wǎng)絡協(xié)議層852，用 于實現(xiàn)物理(PHY)層以通過無線電862向基站、接入點和/或其他站(未示出)發(fā)送網(wǎng)絡 分組和從其接收網(wǎng)絡分組。通信設備830還可以包括直接存儲器存取(DMA)引擎854，直接 存儲器存取(DMA)引擎邪4可以向緩沖器838寫入分組數(shù)據(jù)，以發(fā)送和/或接收數(shù)據(jù)。另 外，電子設備800可以包括控制器856，控制器856可以包括諸如可編程處理器的邏輯，例 如用于執(zhí)行與通信設備相關的操作。在各個實施例中，控制器856可以是MAC(介質(zhì)訪問控 制)組件。通信設備830還可以包括任何類型的易失性/非易失性存儲器設備(包括圖1 的PCMS 50)的存儲器858。在各個實施例中，通信設備830可以包括固件存儲設備860，用于存儲可以用于管 理由通信設備830的組件執(zhí)行的各個功能的固件(或軟件)。存儲設備860可以是任何類 型的存儲設備，諸如包括圖1的PCMS 50的非易失性存儲設備。上文已經(jīng)給出了許多實施例和許多細節(jié)，以提供對本發(fā)明的透徹理解。本領域技 術(shù)人員將意識到，在一個實施例中的許多特征能夠等同地適用于其他實施例。本領域技術(shù) 人員還將意識到，能夠?qū)Ρ疚拿枋龅哪切┚唧w材料、處理、尺寸、濃度等進行各種等同替換。 應當理解，本發(fā)明的詳細描述應當被視為是說明性的而不是限定性的，其中，本發(fā)明的范圍 應當通過所附權(quán)利要求來確定。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括使用低能置位脈沖來達到訪問設備的閾值，并對具有開關的相變存儲器(PCMS)的相 變材料(PCM)存儲元件中的PCM進行寫入，其中，在對所述PCM進行寫入后，所述PCM存儲 元件包括非晶體；以及使用劃界電壓來對所述PCMS進行讀取。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，OTS和所述存儲元件是串聯(lián)的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述訪問設備是不改變相位的0TS。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述低能置位脈沖包括置位電流，所述置位電流 顯著地低于基于電阻讀取方案的相變存儲器所使用的置位電流。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，置位脈沖電流的幅度是復位脈沖電流的幅度的 10-15%或更小。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括使用多個置位脈沖來對PCM存儲元件中的PCM 進行寫入。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述置位脈沖電流在所述相變材料的所述非晶 體中形成導電絲。
8.一種具有開關的相變存儲器(PCMQ，包括存儲單元，所述存儲單元包括訪問設備和相變材料(PCM)存儲元件，所述PCM存儲元件 包括非晶體和在所述非晶體中的導電絲；以及電源，用于向所述存儲元件施加讀取劃界電壓或電流。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的具有開關的相變存儲器，其中，所述讀取劃界電壓足以達到 所述訪問設備的閾值。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的具有開關的相變存儲器，其中，所述非晶體是部分結(jié)晶的。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的具有開關的相變存儲器，還包括加熱器元件和在所述PCM 存儲元件中的結(jié)晶體，其中，所述導電絲將所述加熱器元件連接到所述結(jié)晶體。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的具有開關的相變存儲器，其中，在置位狀態(tài)的所述PCM存儲 元件的電阻大于基本上結(jié)晶的PCM存儲元件。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的具有開關的相變存儲器，還包括第一電路，用于對所述 PCMS寫入置位狀態(tài)；以及第二電路，用于對所述PCMS寫入復位狀態(tài)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的具有開關的相變存儲器，其中，所述第一電路是比所述第 二電路電流更低的電路。
15.一種系統(tǒng)，包括處理器；以及具有開關的相變存儲器(PCMQ，其中，所述PCMS包括訪問設備；以及與所述訪問設備串聯(lián)的相變存儲器(PCM)存儲元件，其中，所述PCM存儲元件包括非晶 體和在所述非晶體中的導電絲。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中，讀取電壓足以達到OTS的閾值。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中，所述非晶體是部分結(jié)晶的。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，還包括加熱器元件和在所述PCM存儲元件中的結(jié)晶體，其中，所述導電絲將所述加熱器元件連接到所述結(jié)晶體。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中，在置位狀態(tài)的所述PCM存儲元件的電阻大于基 本上結(jié)晶的PCM存儲元件。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，還包括第一電路，用于對所述PCMS寫入置位狀態(tài)； 以及第二電路，用于對所述PCMS寫入復位狀態(tài)。
全文摘要
本文總地描述了用于具有開關的相變存儲器的節(jié)能置位寫入的裝置和方法的實施例?？梢悦枋龊鸵蟊Ｗo其他實施例。
文檔編號G11C11/4193GK102087876SQ20101058405
公開日2011年6月8日 申請日期2010年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月8日
發(fā)明者D·考, E·卡爾波夫, G·斯帕迪尼, J·卡爾布 申請人:英特爾公司