專利名稱：非易失性存儲設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施例通常涉及非易失性存儲設(shè)備和相關(guān)操作方法。更具體地來說，本發(fā)明的實施例涉及非易失性存儲設(shè)備和相關(guān)編程方法。
背景技術(shù)：
多種非易失性存儲設(shè)備采用電阻材料來存儲數(shù)據(jù)。例如，相變隨機存取存儲器 (PRAM)、電阻RAM(RRAM)、電鐵體RAM(FRAM)、和磁性RAM(MRAM)者采用電阻材料來存儲數(shù)據(jù)。與通過使用電荷來存儲數(shù)據(jù)的、諸如動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)和閃存等的其它形式的存儲器相反，使用電阻材料的設(shè)備趨向于通過物理改變電阻材料來存儲數(shù)據(jù)。例如，PRAM 通常使用諸如硫?qū)倩锖辖?chalcognide alloy)等的相變材料的不同狀態(tài)來存儲數(shù)據(jù)， RRAM通常采用可變電阻材料的不同電阻值來存儲數(shù)據(jù)，F(xiàn)RAM通常采用鐵電體材料的極化現(xiàn)象來存儲數(shù)據(jù)，而MRAM通常響應(yīng)鐵電體材料的磁化狀態(tài)，使用磁隧道結(jié)(MTJ)薄膜的電阻變化來存儲數(shù)據(jù)。為了說明一種可以將電阻材料用于存儲數(shù)據(jù)的方法，現(xiàn)在將更具體地描述示例性的PRAM。PRAM中的相變材料，通常為硫?qū)倩铮軌蛟诜蔷嗯c晶相之間穩(wěn)定地轉(zhuǎn)變。非晶相和晶相(或態(tài))呈現(xiàn)不同電阻值，所述不同電阻值用于區(qū)別存儲設(shè)備中的存儲單元的不同邏輯狀態(tài)。具體來說，非晶相呈現(xiàn)較高電阻，而晶相呈現(xiàn)較低電阻。PRAM使用非晶態(tài)來表示邏輯“1”(或數(shù)據(jù)“1”)，而使用晶態(tài)來表示邏輯“0”(或數(shù)據(jù)“0”)。在PRAM設(shè)備中，晶態(tài)稱為“置位狀態(tài)”，而非晶態(tài)稱為“復(fù)位狀態(tài)”。因此，PRAM 中的存儲單元通過將存儲單元中的相變材料設(shè)定為晶態(tài)來存儲邏輯“0”，而存儲單元通過將相變材料設(shè)定為非晶態(tài)來存儲邏輯“1”。例如，在美國專利號6，487，113和6，480，438中公開了各種PRAM設(shè)備。通過將相變材料加熱到高于預(yù)定熔化溫度的第一溫度，然后快速冷卻該材料， PRAM中的相變材料被轉(zhuǎn)換到非晶態(tài)。通過在低于熔化溫度而高于結(jié)晶溫度的第二溫度將相變材料持續(xù)加熱一段時間，相變材料被轉(zhuǎn)換到晶態(tài)。因此，通過如上所述的加熱和冷卻，在非晶態(tài)與晶態(tài)之間轉(zhuǎn)換PRAM的存儲單元中的相變材料，從而將數(shù)據(jù)編程到PRAM中的存儲單元。PRAM中的相變材料通常包括包含鍺(Ge)、銻(Sb)、和碲(Te)的化合物，即，“GST” 化合物。GST化合物非常適合PRAM，因為其可以通過加熱和冷卻在非晶態(tài)與晶態(tài)之間快速轉(zhuǎn)變。除了 GST化合物之外，或作為GST化合物的替換，也可以在相變材料中使用各種其它的化合物。其它化合物的例子包括但并不局限于諸如GaSb、InSb、InSe、Sb2Te3和GeTe等的兩種元素化合物，諸如GeSbTe、GaSeTe, InSbTe, SnSb2Te4和InSbGe等的三種元素化合物， 或諸如 AglnSbTe、(GeSn) SbTe、GeSb (SeTe)和 Te81Ge15Sb2S2 等的四種元素化合物。
PRAM中的存儲單元稱為“相變存儲單元”。相變存儲單元通常包括上電極、相變材料層、下電極觸點、下電極、和存取晶體管(access transistor)。通過測量相變材料層的電阻在相變存儲單元上執(zhí)行讀操作，并且通過如上所述加熱并冷卻相變材料層在相變存儲單元上執(zhí)行編程操作。
一般而言，通過將電“置位”或“復(fù)位”脈沖施加到電極，以便將相變材料層改變到 “置位”或“復(fù)位”狀態(tài)，從而進(jìn)行編程操作。通常，將數(shù)據(jù)“0”編程到存儲單元所需要的時間大約是將數(shù)據(jù)“1”編程到存儲單元所需要的時間的5倍。例如，編程數(shù)據(jù)“0”所需要的時間可以大概為600納秒，而編程數(shù)據(jù)“1”所需要的時間可以大概為120納秒。
遺憾的是，傳統(tǒng)PRAM設(shè)備可以同時接收多位的輸入，卻不能將所述位同步編程到相應(yīng)存儲單元。例如，PRAM可以通過多個管腳接收16個輸入，但是PRAM不能同步訪問16 個相變存儲單元。導(dǎo)致這個缺陷的一個原因如下如果編程一個相變存儲單元需要1毫安的電流，那么同步編程16個相變存儲單元就需要16毫安的電流。此外，如果驅(qū)動電路提供電流的效率為10%，那么實際上同步編程16個存儲單元就需要160毫安的電流。但是，通常都沒有將傳統(tǒng)PRAM設(shè)備配備成提供如此高值的電流。
由于PRAM設(shè)備中的編程驅(qū)動器只能提供限量電流，可以將多個相變存儲單元的編程操作分成幾個“分區(qū)編程操作”，每個分區(qū)編程操作僅需要編程全部相變存儲單元所需要的總電流的一小部分。在每個分區(qū)編程操作中，編程較大組之中的一小組(即，一“分區(qū)”)存儲單元。例如，可以通過將16個相變存儲單元兩兩分成八組(即，“分區(qū)”)，并且在八個連續(xù)分區(qū)編程操作中同步編程具有兩個存儲單元的每組中的兩個存儲單元，從而編程一組16個相變存儲單元。
為了防止不必要的電流消耗和編程失敗，PRAM設(shè)備也可以執(zhí)行驗證讀操作以便驗證每個選擇存儲單元的編程狀態(tài)。為了執(zhí)行驗證讀操作，將要編程到選擇存儲單元中的編程數(shù)據(jù)被存儲在諸如編程緩沖器等的臨時存儲位置中。接下來，將編程數(shù)據(jù)編程到選擇單元。然后，讀取選擇存儲單元中存儲的數(shù)據(jù)，并且將其與臨時存儲位置中存儲的編程數(shù)據(jù)相比較。如果臨時存儲位置中存儲的數(shù)據(jù)與選擇存儲單元中存儲的數(shù)據(jù)不同，則驗證讀操作表明編程失敗。否則，驗證讀操作表明編程成功。
圖1是圖解說明了一種用于操作使用了分區(qū)編程操作的PRAM設(shè)備的傳統(tǒng)方法的概念上的時間圖。為了進(jìn)行說明，將假設(shè)PRAM設(shè)備的編程操作通過使用8個分區(qū)編程操作將16位的數(shù)據(jù)編程到16個分成8對(或組)的選擇存儲單元。
參見圖1，使用多個編程循環(huán)(L = 1至11)在PRAM設(shè)備中編程數(shù)據(jù)。在每個編程循環(huán)開始之前，執(zhí)行驗證讀操作以在選擇存儲單元之中檢測還未被成功編程的存儲單元。 此后，在其中至少有一個存儲單元還未被成功編程的存儲單元組——稱為“失敗組”上執(zhí)行分區(qū)編程操作(順便提一下，還未被成功編程的單個存儲單元將稱為“失敗單元”)。在圖 1的例子中，八個分區(qū)編程操作①至⑧分別對應(yīng)于八個單元組。
在編程操作中，所有八組存儲單元通常都作為失敗組開始。因此，在第一編程循環(huán) (L= 1)中，通常都對八組中的每組執(zhí)行分區(qū)編程操作。在第二編程循環(huán)(L =幻中，假設(shè)第三組和第四組已經(jīng)被成功編程了，則在所有八組中除了第三組和第四組之外的組上執(zhí)行分區(qū)編程操作。類似地，在剩下的編程循環(huán)中，由于越來越多的組已被成功編程，所以越來越少的組被編程。
不幸的是，諸如以上所描述的傳統(tǒng)處理沒有考慮到這個事實將數(shù)據(jù)“0”和數(shù)據(jù) “1”編程到選擇存儲單元需要不同的編程時間。因此，會要求每個分區(qū)編程操作的持續(xù)時間跟用于編程數(shù)據(jù)“0”的置位脈沖的持續(xù)時間一樣長，即使對應(yīng)于分區(qū)編程操作的一些存儲單元將只要與數(shù)據(jù)“1”一起被編程。因此，執(zhí)行編程操作所需要的時間會不必要地變長了。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例提供非易失性存儲設(shè)備和相關(guān)方法，其能夠減少執(zhí)行編程操作所需要的時間量。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供一種用于在非易失性存儲設(shè)備中執(zhí)行編程操作的方法。所述設(shè)備包括存儲單元陣列，其中存儲單元陣列包括多個非易失性存儲單元。所述方法包括以下步驟在編程操作的第一編程間隔期間，在從多個非易失性存儲單元中選擇的多個選擇存儲單元之中的第一組中編程具有第一邏輯狀態(tài)的數(shù)據(jù)；并且在第一編程間隔之后的、編程操作的第二編程間隔期間，在選擇存儲單元之中的第二組中編程具有不同于第一邏輯狀態(tài)的第二邏輯狀態(tài)的數(shù)據(jù)。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，提供一種用于在非易失性存儲設(shè)備中執(zhí)行編程操作的方法。所述設(shè)備包括存儲單元陣列，其中存儲單元陣列包括多個非易失性存儲單元。所述方法包括以下步驟在多個非易失性存儲單元中識別第一組“a”( “a”是自然數(shù))個失敗非易失性存儲單元，其中所述第一組失敗非易失性存儲單元將被編程為第一邏輯狀態(tài)，并且在編程操作的第一編程間隔期間，通過采用“m”( “m”是自然數(shù))個分區(qū)編程操作(division program operation)來編程具有第一邏輯狀態(tài)的第一組失敗非易失性存儲單元；以及在多個非易失性存儲單元中識別第二組“b”( “b”是自然數(shù))個失敗非易失性存儲單元，其中所述第二組失敗非易失性存儲單元將被編程為第二邏輯狀態(tài)，并且在第一編程間隔之后的、 編程操作的第二編程間隔期間，通過采用“η”( “η”是自然數(shù))個分區(qū)編程操作來編程具有第二邏輯狀態(tài)的這組失敗非易失性存儲單元。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，提供一種非易失性存戶設(shè)備。所述設(shè)備包括存儲單元陣列和編程電路，其中所述存儲單元陣列包括多個非易失性存儲單元。所述編程電路被適配成在編程操作的第一編程間隔期間，在從多個非易失性存儲單元中選擇的多個選擇存儲單元之中的第一組中編程具有第一邏輯狀態(tài)的數(shù)據(jù)，并且進(jìn)一步被適配成在第一編程間隔之后的、編程操作的第二編程間隔期間，在所述選擇存儲單元之中的第二組中編程具有不同于第一邏輯狀態(tài)的第二邏輯狀態(tài)的數(shù)據(jù)。根據(jù)本發(fā)明的再一實施例，提供一種非易失性存儲設(shè)備。所述設(shè)備包括存儲單元陣列和編程電路，其中所述存儲單元陣列包括多個非易失性存儲單元。所述編程電路適用于在多個非易失性存儲單元中識別第一組“a”( “a”是自然數(shù))個失敗非易失性存儲單元， 其中所述第一組失敗非易失性存儲單元將被編程為第一邏輯狀態(tài)，并且在編程操作的第一編程間隔期間，通過采用“m”( “m”是自然數(shù))個分區(qū)編程操作來編程具有第一邏輯狀態(tài)的第一組失敗非易失性存儲單元，并且進(jìn)一步適用于在多個非易失性存儲單元中識別第二組 “b”( “b”是自然數(shù))個失敗非易失性存儲單元，其中所述第二組失敗非易失性存儲單元將被編程為第二邏輯狀態(tài)，并且在第一編程間隔之后的、編程操作的第二編程間隔期間，通過采用“η” ( “η”是自然數(shù))個分區(qū)編程操作來編程具有第二邏輯狀態(tài)的這組失敗非易失性存儲單元。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，一種非易失性存儲設(shè)備包括分成多個單元組的多個非易失性存儲單元、比較單元、狀態(tài)標(biāo)志信號生成單元、編程驗證指定單元、編程脈沖生成單元、和編程驅(qū)動器。比較單元將從多個非易失性存儲單元中讀取的多個驗證數(shù)據(jù)與多個非易失性存儲單元中將要被編程的多個編程數(shù)據(jù)相比較，并且輸出用于表明其驗證數(shù)據(jù)和編程數(shù)據(jù)彼此不同的多個失敗非易失性存儲單元的比較信號。狀態(tài)標(biāo)志信號生成單元生成表明其中將要編程具有特定邏輯狀態(tài)的編程數(shù)據(jù)的多個非易失性存儲單元的狀態(tài)標(biāo)志信號。編程驗證指定單元接收比較信號和狀態(tài)標(biāo)志信號，并且生成指定信號以指定用于失敗非易失行存儲單元中的編程數(shù)據(jù)的多個分區(qū)編程操作。編程脈沖生成單元接收指定信號， 并且在分區(qū)編程操作期間提供置位脈沖控制信號和復(fù)位脈沖控制信號。編程驅(qū)動器接收編程數(shù)據(jù)、置位脈沖控制信號、和復(fù)位脈沖控制信號，并且生成置位脈沖或復(fù)位脈沖。


參照附圖描述本發(fā)明的實施例。在全部附圖中，類似的附圖標(biāo)記表示類似的示例元件、部件、和步驟。在附圖中
圖1是圖解說明一種用于操作采用了分區(qū)編程操作和驗證讀操作的PRAM設(shè)備的傳統(tǒng)方法的概念時間圖2是圖解說明一種用于編程根據(jù)本發(fā)明的實施例的PRAM設(shè)備的方法的概念時間圖3是圖解說明一種用于編程根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的PRAM設(shè)備的方法的概念時間圖4A和4B是圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實施例的、用于調(diào)整分區(qū)編程操作的執(zhí)行時間(timing)的技術(shù)的概念圖5A和5B是圖解說明根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的、用于調(diào)整分區(qū)編程操作的執(zhí)行時間的技術(shù)的概念圖6是圖解說明根據(jù)本發(fā)明的再一實施例的、用于調(diào)整分區(qū)編程操作的執(zhí)行時間的技術(shù)的概念圖7是圖解說明用于在根據(jù)本發(fā)明的實施例的PRAM設(shè)備中執(zhí)行編程操作的方法的流程圖8是圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實施例的PRAM設(shè)備的方框圖9是圖解說明圖8的PRAM設(shè)備中的編程驗證指定單元的實施例的方框圖10是圖解說明圖8的PRAM設(shè)備中的編程脈沖生成單元所輸出的置位脈沖控制信號的例子的時間圖；以及
圖11是圖解說明一種用于在根據(jù)本發(fā)明的實施例的PRAM設(shè)備中執(zhí)行編程操作的方法的流程圖。
具體實施方式
以下參照相應(yīng)附圖描述本發(fā)明的示例性實施例。這些實施例作為教導(dǎo)示例提出。 通過所附的權(quán)利要求來定義本發(fā)明的實際范圍。
盡管將PRAM設(shè)備用于說明本發(fā)明的幾個實施例，但是需要理解的是，可以以各種不同形式來實施本發(fā)明。例如，可以用使用電阻材料的其他類型的非易失性存儲設(shè)備，諸如 RRAM、FRAMjP MRAM 等，來替代 PRAM 設(shè)備。圖2和3是圖解說明根據(jù)本發(fā)明的選擇實施例的、用于編程PRAM設(shè)備的方法的概念時間圖。參見圖2和3，同時編程將要編程為相同狀態(tài)的選擇存儲單元。例如，可以首先編程將要用數(shù)據(jù)“0”編程的選擇存儲單元，隨后編程將要用數(shù)據(jù)“1”編程的選擇存儲單元。類似地，可以以基于其預(yù)期狀態(tài)的順序編程能夠存儲一位以上的選擇存儲單元，例如，可以以數(shù)據(jù)“ 0 ”、數(shù)據(jù)“ 1”、數(shù)據(jù)“ 2 ”等的順序編程數(shù)據(jù)。在本發(fā)明的選擇實施例中，用于PRAM設(shè)備的編程方法包括分區(qū)編程操作和驗證讀操作。但是，本發(fā)明并不局限于使用這些類型的操作。例如，分區(qū)編程操作可以不用伴隨著驗證讀操作，反之亦然，或者不用分區(qū)編程操作和驗證讀操作也可以執(zhí)行編程操作。參見圖2，在根據(jù)本發(fā)明的實施例的PRAM設(shè)備中，在編程間隔RW期間，將數(shù)據(jù)“ 1，， 編程到選擇存儲單元，并且在編程間隔SW期間，將數(shù)據(jù)“0”編程到一小組選擇存儲單元。
編程間隔RW持續(xù)11個編程循環(huán)RL = 1至11，而編程間隔SW持續(xù)2個編程循環(huán) SL=I和2。在每個編程循環(huán)之前，執(zhí)行驗證讀操作VERIFY_READ。在每個編程循環(huán)期間， 僅在包含至少一個尚未被成功編程的存儲單元的存儲單元組、即“失敗組”上執(zhí)行分區(qū)編程操作。為了進(jìn)行說明，將假設(shè)通過16個輸入/輸出(IO)管腳將16位的數(shù)據(jù)同時輸入到 PRAM設(shè)備。然后例如在以下表1中所示，將16個位編程到兩兩分成8組的16個選擇相變存儲單元。在表1的示例中，第一組由對應(yīng)于第0和第810管腳100和108的存儲單元組成，第二組由對應(yīng)于第1和第910管腳IOl和109的存儲單元組成，等等。將數(shù)據(jù)同步編程到每組的兩個存儲單元中，盡管在不同的時間編程不同組中的存儲單元。為了進(jìn)行說明，假設(shè)將要編程到選擇存儲單元的數(shù)據(jù)通過標(biāo)注(Iable) “編程數(shù)據(jù)”具有表1中所示的值。具體來說，數(shù)據(jù)“1”和“0”將被分別編程到對應(yīng)于IO管腳0和 8的存儲單元，數(shù)據(jù)“1”和“1”將被分別編程到對應(yīng)于IO管腳2和10的存儲單元，等等。表2示出了將要在編程間隔RW和編程間隔SW期間被編程的存儲單元組。從表2 中可以了解，在編程間隔RW期間編程所有存儲單元組，而在編程間隔SW期間編程其中有至少一個存儲單元將要用數(shù)據(jù)“0”編程的存儲單元組。表 權(quán)利要求
1.一種非易失性存儲設(shè)備，所述設(shè)備包括 多個非易失性存儲單元，其被分成多個單元組；比較單元，用于將從多個非易失性存儲單元中讀取的多個驗證數(shù)據(jù)與多個非易失性存儲單元中將要被編程的多個編程數(shù)據(jù)相比較，并且輸出用于表明其驗證數(shù)據(jù)和編程數(shù)據(jù)彼此不同的多個失敗非易失性存儲單元的比較信號；狀態(tài)標(biāo)志信號生成單元，用于生成表明其中將要編程特定邏輯狀態(tài)的編程數(shù)據(jù)的多個非易失性存儲單元的狀態(tài)標(biāo)志信號；編程驗證指定單元，用于接收比較信號和狀態(tài)標(biāo)志信號，并且生成指定信號以指定用于失敗非易失性存儲單元中的編程數(shù)據(jù)的多個分區(qū)編程操作；編程脈沖生成單元，用于接收指定信號，并且在分區(qū)編程操作期間提供置位脈沖控制信號和復(fù)位脈沖控制信號；和編程驅(qū)動器，用于接收編程數(shù)據(jù)、置位脈沖控制信號、和復(fù)位脈沖控制信號，并且生成置位脈沖或復(fù)位脈沖。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述編程數(shù)據(jù)包括具有第一邏輯狀態(tài)的數(shù)據(jù)和具有第二邏輯狀態(tài)的數(shù)據(jù)；并且其中所述狀態(tài)標(biāo)志信號表明將要用具有第一邏輯狀態(tài)的數(shù)據(jù)編程的存儲單元、和將要用具有第二邏輯狀態(tài)的數(shù)據(jù)編程的存儲單元。
3.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述第一邏輯狀態(tài)對應(yīng)于邏輯“1 ”，而所述第二邏輯狀態(tài)對應(yīng)于邏輯“0”。
4.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中編程控制信號控制所述狀態(tài)標(biāo)志信號生成單元是生成用于表明將要用具有第一邏輯狀態(tài)的數(shù)據(jù)編程的多個非易失性存儲單元的狀態(tài)標(biāo)志信號，還是生成用于表明將要用具有第二邏輯狀態(tài)的數(shù)據(jù)編程的多個非易失性存儲單元的狀態(tài)標(biāo)志信號。
5.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述編程驗證指定單元包括指定邏輯單元，用于接收比較信號和狀態(tài)標(biāo)志信號，并且生成用于指定多個失敗單元組的編程順序的指定信號，通過使用所述編程順序來進(jìn)一步指定將在所述失敗單元組上執(zhí)行的多個分區(qū)編程操作，其中所述多個失敗單元組包括將被編程為特定邏輯狀態(tài)的失敗非易失性存儲單元。
6.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括模式選擇單元，用于接收模式控制信號，并且生成用于選擇分區(qū)編程模式的多個模式選擇信號；其中所述編程驗證指定單元包括多個通門，對應(yīng)于所述多個模式選擇信號，所述多個通門的每個接收對應(yīng)的一個模式選擇信號，并且選擇性地傳送比較信號；和指定邏輯單元，用于接收比較信號和狀態(tài)標(biāo)志信號，并且生成用于指定多個失敗單元組的編程順序的指定信號，通過使用所述編程順序來進(jìn)一步指定將在所述失敗單元組上執(zhí)行的多個分區(qū)編程操作，其中所述多個失敗單元組包括將被編程為特定邏輯狀態(tài)的失敗非易失性存儲單元。
7.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述多個非易失性存儲單元是相變存儲單元。
全文摘要
在非易失性存儲設(shè)備中，通過在編程操作的第一編程間隔期間，在從多個非易失性存儲單元中所選擇的多個選擇存儲單元之中的第一組中編程具有第一邏輯狀態(tài)的數(shù)據(jù)，隨后在第一編程間隔之后的編程操作的第二編程間隔期間，在所選擇的存儲單元之中的第二組中編程具有不同于第一邏輯狀態(tài)的第二邏輯狀態(tài)的數(shù)據(jù)，在多個非易失性存儲單元上執(zhí)行編程操作。
文檔編號G11C16/10GK102496387SQ20111042336
公開日2012年6月13日 申請日期2007年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月4日
發(fā)明者李光振, 郭忠根, 金杜應(yīng) 申請人:三星電子株式會社