專利名稱：翻轉(zhuǎn)用于讀取相變單元的電勢極性以縮短編程之后的延遲的制作方法
翻轉(zhuǎn)用于讀取相變單元的電勢極性以縮短編程之后的延遲
背景技術(shù)：
相變存儲器(PCM)因具有較好的寫入速度、較小的單元尺寸、更簡單的電路以及與互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體(CM0Q工藝的制造兼容性而成為下一代有前途的非易失性存儲器技術(shù)。PCM是以硫族材料的相位轉(zhuǎn)變?yōu)榛A(chǔ)，該相位轉(zhuǎn)變可通過利用電流脈沖的電阻加熱法來進(jìn)行編程，該電流脈沖把存儲器單元轉(zhuǎn)變?yōu)楦吆偷碗娮锠顟B(tài)。需要根據(jù)不同的電阻來對降低讀取所存儲數(shù)據(jù)時的延遲進(jìn)行改善。


在本說明書的結(jié)論部分特別指出并清楚地要求了本發(fā)明的主旨。然而，關(guān)于操作的組織和方法以及本發(fā)明的目標(biāo)、特征和優(yōu)點(diǎn)可在參閱附圖時通過參考以下詳細(xì)描述而最好地理解本發(fā)明，其中圖1根據(jù)本發(fā)明示出了將相變存儲器(PCM)與極性翻轉(zhuǎn)相結(jié)合的無線結(jié)構(gòu)；圖2示出了閾值電壓VT(t)的時間分辨分析，該時間分辨分析顯示了遵循使PCM 材料為非晶態(tài)的編程操作的PCM設(shè)備的電阻恢復(fù)；圖3示出了對于正向施加的偏置和負(fù)向施加的偏置的恢復(fù)時間；圖4示出了包含存儲材料以及被偏置為正編程的選擇器設(shè)備的存儲器單元；圖5示出了對存儲器單元進(jìn)行偏置以進(jìn)行負(fù)讀??；圖6示出了包含選擇器設(shè)備和存儲器存儲元件以在每個存儲器單元位置處存儲一個或多個比特信息的存儲器陣列組織；圖7示出了被偏置以用于編程到非晶態(tài)相位的存儲器陣列組織；以及圖8根據(jù)本發(fā)明示出了被偏置為實(shí)施負(fù)讀取的存儲器陣列組織。應(yīng)當(dāng)意識到，出于說明簡單和清晰的目的，圖中所示的元件不必按比例繪出。例如，為了清楚起見，一些元件的尺寸可以相對于其它元件而被放大。此外，在認(rèn)為合適的情況中，附圖標(biāo)記在各圖之間重復(fù)以指示相應(yīng)或相似的元件。
具體實(shí)施例方式在下面的詳細(xì)描述中，闡述了若干具體細(xì)節(jié)以提供對本發(fā)明的透徹理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐本發(fā)明。在其它情況中，沒有詳細(xì)描述公知的方法、過程、部件以及電路，以便不使本發(fā)明模糊。圖1所示的實(shí)施方式示出了通信設(shè)備10，在無線架構(gòu)中通信設(shè)備10可以包括根據(jù)本發(fā)明的具有極性翻轉(zhuǎn)能力的非易失性存儲器(極性翻轉(zhuǎn)在后面的附圖中描述)。通信設(shè)備10可以包括一個或多個天線結(jié)構(gòu)14，以允許無線電與其它空中通信設(shè)備進(jìn)行通信。這樣，通信設(shè)備10可以作為蜂窩設(shè)備或在無線網(wǎng)絡(luò)中操作的設(shè)備來操作，所述無線網(wǎng)絡(luò)例如是提供基于IEEE 802. 11規(guī)范的無線局域網(wǎng)(WLAN)的基礎(chǔ)技術(shù)的無線保真(Wi-Fi)、基于 IEEE 802. 16-2005的WiMax和移動WiMax、寬帶碼分多址(WCDMA)以及全球移動通信系統(tǒng) (GSM)網(wǎng)絡(luò)，但是本發(fā)明不限于僅在這些網(wǎng)絡(luò)中操作。配置在與通信設(shè)備10相同平臺中的無線電子系統(tǒng)提供用RF/位置空間中的不同頻帶來與網(wǎng)絡(luò)中的其它設(shè)備進(jìn)行通信的能力。該實(shí)施方式示出了天線結(jié)構(gòu)14與收發(fā)器12相耦合以實(shí)現(xiàn)調(diào)制/解調(diào)。通常，模擬前端收發(fā)器12可以是獨(dú)立的射頻(RF)離散或集成模擬電路，或者收發(fā)器12可以嵌有具有一個或多個處理器核16和18的處理器。多個核允許在核之間共享處理工作量并處理基帶功能和應(yīng)用程序功能。數(shù)據(jù)和指令可以通過處理器和系統(tǒng)存儲器20中的存儲器存儲之間的接口進(jìn)行傳遞。系統(tǒng)存儲器20可以包括易失性存儲器和具有相變材料的非易失性存儲器22。非易失性存儲器22可以被稱為相變存儲器(PCM)、相變隨機(jī)存取存儲器(PRAM或PCRAM)、雙向通用存儲器(Ovonic Unified Memory(OUM))或者硫族化合物隨機(jī)存取存儲器(C-RAM)。 易失性存儲器和非易失性存儲器可以在堆疊(stacking)過程中被組合以減少板上的覆蓋區(qū)(footprint)，被單獨(dú)地封裝，或者被置于多芯片封裝中(其中存儲器部件被置于處理器的頂部)。該實(shí)施方式還示出了非易失性存儲器32可以嵌有一個處理器核。PCM單元包括周期表中VI族元素的合金，諸如Te或k之類的元素被稱為硫族化物或硫族材料。硫族化物可以有利地用于相變存儲器單元中，以便即使在從非易失性存儲器移除電源之后仍然能夠提供數(shù)據(jù)保持力并保持穩(wěn)定。以相變材料Ge2Sb2I^5為例，表現(xiàn)出具有用于存儲器存儲的截然不同的電特性的兩個相位，即顯示高電阻的非晶相(復(fù)位狀態(tài))和顯示低電阻的結(jié)晶相(置位(set)狀態(tài))。相變存儲器(PCM)中使用的硫族化物材料的電子行為在定義存儲器單元的工作電壓和響應(yīng)時間時是關(guān)鍵的。用于電子切換非晶態(tài)硫族化物材料的閾值電壓是在編程和讀出操作之間出現(xiàn)的邊界的指示符。例如，當(dāng)編程操作將存儲器單元從結(jié)晶相切換到非晶相時，存在著使電阻穩(wěn)定的恢復(fù)時間周期，這是硫族化物材料通常具有的電子現(xiàn)象。圖2示出了閾值電壓VT(t)的時間分辨分析，該時間分辨分析顯示了遵循使PCM 材料為非晶態(tài)的編程操作的PCM設(shè)備的電阻恢復(fù)。從結(jié)晶相開始，傳給硫族化物材料的足夠的能量使局部溫度高于融化溫度(Tm)。合金的通電的原子進(jìn)入隨機(jī)狀態(tài)，在該隨機(jī)狀態(tài)中能量脈沖的快速停止提供了將原子凍結(jié)(freeze)成隨機(jī)、非晶態(tài)或半非晶“復(fù)位”狀態(tài)的快速淬火。如所闡述的那樣，該圖形示出了遵循編程操作的時間。標(biāo)記為“電阻恢復(fù)時間周期”的時間周期由低閾值電壓和低比特電阻所表征。因此，應(yīng)當(dāng)注意，剛被編程到非晶相的 PCM設(shè)備在電阻恢復(fù)時間周期期間與結(jié)晶(置位)相中的PCM設(shè)備的特性是不容易區(qū)分的。 非晶相的高VT和高電阻特性僅在電阻恢復(fù)時間周期(讀取操作延遲大約為30ns)之后才被PCM設(shè)備所展現(xiàn)出?；謴?fù)時間是不可用于讀取的“時間暗區(qū)”，因?yàn)閺?fù)位比特不是可靠地與置位比特相區(qū)分，注意這兩個比特都是低電阻率的(高導(dǎo)電)。圖3示出了對于正施加的偏置和負(fù)施加的偏置的恢復(fù)時間。該圖形示出了在用正電壓執(zhí)行了存儲器單元復(fù)位操作之后，“負(fù)”和“正”讀取電壓的閾值電壓VT的演變，其中 “負(fù)”和“正”是根據(jù)存儲元件的下電極作為接地節(jié)點(diǎn)。注意，如果根據(jù)本發(fā)明在編程之后將翻轉(zhuǎn)的極性施加到選擇器設(shè)備上，則恢復(fù)時間大大地降低了。圖4示出了包含存儲材料以及被偏置為正編程的選擇器設(shè)備的存儲器單元。該偏置避免了 MOSFET體效應(yīng)，該體效應(yīng)將增加選擇器設(shè)備的閾值電壓并降低它的電流驅(qū)動能力。由于存儲材料中流動的用于對比特進(jìn)行復(fù)位的電流Ikeset通常較高，在一些情況中高至ImA,所以優(yōu)選用正電壓對存儲元件進(jìn)行復(fù)位。另一方面，在讀取期間流動的電流通常是較低的電流并具有大約IOOuA的值，因此，可在沒有對選擇設(shè)備的體效應(yīng)造成不利影響的情況下翻轉(zhuǎn)極性。圖5示出了對存儲器單元進(jìn)行偏置以進(jìn)行負(fù)讀取。每個源線(source line)與字線垂直并且保持與其他字線相分離，以便在讀取操作期間選擇一個單獨(dú)的比特。注意，選擇器設(shè)備不是整流器(例如，二極管)，因?yàn)殡娏髟诰幊唐陂g以一個方向流動并在讀取期間以相反的方向流動。圖4和圖5中所示的N溝道MOSFET設(shè)備允許電流以任何方向流動，因?yàn)樵礃O端子和漏極端子是可互換的。還應(yīng)當(dāng)注意，可采用任意極性來執(zhí)行結(jié)晶比特的讀取操作，因?yàn)榻Y(jié)晶比特不受恢復(fù)時間的影響。圖6示出了 3 X 3的存儲器陣列組織，該陣列組織包括選擇器設(shè)備和存儲器存儲元件以在每個存儲器單元位置處存儲一個或多個比特信息。注意，3X3陣列提供了簡單的存儲器陣列，但是本發(fā)明的范圍并不限于這個方面。位于該陣列中特定行中的選擇器設(shè)備的柵極接收選擇器電壓，該選擇器電壓在各個行中表示為WLniYWLm和WLm+1。在列位置處對存儲元件進(jìn)行選址的編程線是用BPLlriJPL1^n BPLlri表示的比特編程線(BPL)。對沿著一列存儲器單元位置的選擇器設(shè)備導(dǎo)電端子進(jìn)行選址的讀取線是被表示為BRLn_i、BRLn, BRLn+1 的比特讀取線(BRL)。圖7示出了圖6中所示的被偏置成將所選擇的存儲器單元編程到非晶相的存儲器陣列組織。在編程到復(fù)位狀態(tài)(或置位狀態(tài))期間，在IV到5V的電壓范圍內(nèi)的正電壓 Vkeset(或Vset)被施加到所選擇的比特編程線(BPL)上，同時將所有其他的BPL和比特讀取線(即源極線)保持在地電勢(GND)。所選擇的字線I在IV到5V的電壓范圍內(nèi)被偏置， 以便開啟所需的選擇器設(shè)備。當(dāng)所施加的電勢高于相變材料的閾值電壓時，電流Ikeset流過該相變材料。一旦所施加的偏置大于閾值電壓并且電流Ikeset對存儲材料進(jìn)行加熱，則發(fā)生閾值切換并且該材料進(jìn)入動態(tài)開啟狀態(tài)。圖8根據(jù)本發(fā)明示出了圖6中所示的被偏置為實(shí)施負(fù)讀取的存儲器陣列組織。在讀取操作期間，在0. 2V至0. 4V的電壓范圍內(nèi)的正讀取電壓Vkead被施加至所選擇的比特讀取線(BRL)，同時使所有其它的BRL和所有的BPL都保持在地電勢。字線\可被在IV至 5V的電壓范圍內(nèi)被偏置，以選擇所需選擇器設(shè)備。在存儲材料中流動的電流Ikead被感測以確定所選擇的比特的相位。這些圖形示出了 MOSFET選擇器，但是應(yīng)當(dāng)注意，可以使用任何雙向選擇器設(shè)備。 雙向選擇器設(shè)備的一個示例是具有對稱I-V特性的雙向閾值開關(guān)(OTS)。應(yīng)當(dāng)意識到，復(fù)位和置位分別與非晶態(tài)和結(jié)晶態(tài)的關(guān)聯(lián)是慣例，并且可以采用至少相反的慣例。到現(xiàn)在為止顯而易見的是，本發(fā)明的實(shí)施方式包括連接到硫族化物材料的MOSFET 器件，其中提供給存儲器單元的電勢在進(jìn)行編程操作時被翻轉(zhuǎn)了極性以抑制恢復(fù)時間并提供設(shè)備穩(wěn)定性以用于讀取操作。盡管在編程操作中所選擇的存儲器單元在硫族化物材料側(cè)接收正電壓Vkeset并在選擇器設(shè)備側(cè)接收地電勢，在讀取操作期間仍然提供了翻轉(zhuǎn)的極性以便硫族化物材料接收地電勢并且選擇器設(shè)備接收正電壓VKEAD。雖然本文已經(jīng)說明和描述了本發(fā)明的特定特征，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到， 可以做出多種修改、替換、改變和等價形式。因此，應(yīng)當(dāng)理解，所附權(quán)利要求書意于覆蓋落入本發(fā)明實(shí)際精神范圍內(nèi)的所有這些修改和改變。
權(quán)利要求
1.一種存儲系統(tǒng)，該存儲系統(tǒng)包括在一列存儲器陣列中共同連接到編程線的存儲器單元，每個存儲器單元具有選擇器設(shè)備并具有共同連接到讀取線以接收第一電壓電勢和第二電壓電勢的導(dǎo)電端的存儲設(shè)備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲系統(tǒng)，其中，在所述存儲系統(tǒng)的編程操作期間，由所述讀取線接收到的所述第一電壓電勢是地電勢。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲系統(tǒng)，其中，在所述存儲系統(tǒng)的讀取操作期間，由所述讀取線接收到的所述第二電壓電勢是比所述地電勢高的電勢。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的存儲系統(tǒng)，其中，在所述存儲系統(tǒng)的讀取操作期間，由所述讀取線接收到的所述第二電壓電勢位于0. 2V至0. 4V的范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲系統(tǒng)，其中，所述第二電壓電勢在所述第一電壓電勢之后被接收到，以通過在編程之后向所述選擇器設(shè)備提供翻轉(zhuǎn)極性來降低恢復(fù)時間。
6.一種存儲單元，該存儲單元包括具有耦合到存儲元件的第一端子的第一導(dǎo)電端子的選擇器設(shè)備，其中所述存儲元件的第二端子在編程操作期間接收第一正電勢并在讀取操作期間接收地電勢，以及所述選擇器設(shè)備的第二導(dǎo)電端子在所述編程操作期間接收所述地電勢并在所述讀取操作期間接收第二正電勢。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的存儲單元，其中，所述第二正電勢在所述編程操作之后被接收到，以降低所述存儲單元的恢復(fù)時間。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的存儲單元，其中，所述第二正電勢在編程之后向所述選擇器設(shè)備提供翻轉(zhuǎn)的極性。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的存儲單元，其中，所述選擇器設(shè)備是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)器件。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的存儲單元，其中，所述選擇器設(shè)備是雙向閾值開關(guān)(OTS)。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的存儲單元，其中，所述存儲元件是相變存儲器(PCM)中所使用的硫族材料。
12.—種相變存儲器(PCM)，該相變存儲器包括具有連接到選擇器設(shè)備的源極的第一端子和連接到硫族化物材料的第二端子的存儲器單元，其中提供給所述第一端子和所述第二端子的電勢在編程操作之后極性被翻轉(zhuǎn)以抑制恢復(fù)時間并為讀取操作提供穩(wěn)定性。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的PCM，其中，所述第一端子在所述PCM的編程操作期間接收地電勢以及所述第二端子接收正電勢。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的PCM，其中，所述第一端子在所述PCM的讀取操作期間接收正電勢以及所述第二端子接收地電勢。
15.一種無線通信系統(tǒng)，包括收發(fā)器；耦合到所述收發(fā)器的第一處理器核和第二處理器核，其中所述第一處理器核在具有存儲器單元的嵌入式相變存儲器(PCM)中存儲信息，所述存儲器單元包括耦合在第一端子和第二端子之間的選擇器設(shè)備和硫族化物材料，所述第一端子和所述第二端子在編程操作期間接收第一電勢，該第一電勢在讀取操作期間極性被翻轉(zhuǎn)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的無線通信系統(tǒng)，其中，所述第一端子在所述PCM的編程操作期間接收地電勢以及所述第二端子接收正電勢。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的無線通信系統(tǒng)，其中，所述第二端子在所述PCM的編程操作期間接收在IV至5V的范圍內(nèi)的所述第一電勢。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的無線通信系統(tǒng)，其中，所述第一端子在所述PCM的讀取操作期間接收正電勢以及所述第二端子接收所述地電勢。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的無線通信系統(tǒng)，其中，所述第一端子在所述PCM的讀取操作期間接收在0. 2V至0. 4V的范圍內(nèi)的所述正電勢。
全文摘要
提供給相變存儲器(PCM)中的所選擇單元的電勢在編程操作之后被翻轉(zhuǎn)了極性，以抑制恢復(fù)時間并為讀取操作提供設(shè)備穩(wěn)定性。
文檔編號G11C16/02GK102246238SQ200880129821
公開日2011年11月16日 申請日期2008年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月29日
發(fā)明者A·皮羅瓦諾, D·耶爾米尼, F·佩利澤爾 申請人:恒憶公司