CN102246238A - 翻转用于读取相变单元的电势极性以缩短编程之后的延迟 - Google Patents
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Abstract
提供给相变存储器(PCM)中的所选择单元的电势在编程操作之后被翻转了极性，以抑制恢复时间并为读取操作提供设备稳定性。
Description
背景技术
相变存储器(PCM)因具有较好的写入速度、较小的单元尺寸、更简单的电路以及与互补金属-氧化物-半导体(CMOS)工艺的制造兼容性而成为下一代有前途的非易失性存储器技术。PCM是以硫族材料的相位转变为基础，该相位转变可通过利用电流脉冲的电阻加热法来进行编程，该电流脉冲把存储器单元转变为高和低电阻状态。需要根据不同的电阻来对降低读取所存储数据时的延迟进行改善。
附图说明
在本说明书的结论部分特别指出并清楚地要求了本发明的主旨。然而，关于操作的组织和方法以及本发明的目标、特征和优点可在参阅附图时通过参考以下详细描述而最好地理解本发明，其中：
图1根据本发明示出了将相变存储器(PCM)与极性翻转相结合的无线结构；
图2示出了阈值电压VT(t)的时间分辨分析，该时间分辨分析显示了遵循使PCM材料为非晶态的编程操作的PCM设备的电阻恢复；
图3示出了对于正向施加的偏置和负向施加的偏置的恢复时间；
图4示出了包含存储材料以及被偏置为正编程的选择器设备的存储器单元；
图5示出了对存储器单元进行偏置以进行负读取；
图6示出了包含选择器设备和存储器存储元件以在每个存储器单元位置处存储一个或多个比特信息的存储器阵列组织；
图7示出了被偏置以用于编程到非晶态相位的存储器阵列组织；以及
图8根据本发明示出了被偏置为实施负读取的存储器阵列组织。
应当意识到，出于说明简单和清晰的目的，图中所示的元件不必按比例绘出。例如，为了清楚起见，一些元件的尺寸可以相对于其它元件而被放大。此外，在认为合适的情况中，附图标记在各图之间重复以指示相应或相似的元件。
具体实施方式
在下面的详细描述中，阐述了若干具体细节以提供对本发明的透彻理解。然而，本领域技术人员应当理解，可在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其它情况中，没有详细描述公知的方法、过程、部件以及电路，以便不使本发明模糊。
图1所示的实施方式示出了通信设备10，在无线架构中通信设备10可以包括根据本发明的具有极性翻转能力的非易失性存储器(极性翻转在后面的附图中描述)。通信设备10可以包括一个或多个天线结构14，以允许无线电与其它空中通信设备进行通信。这样，通信设备10可以作为蜂窝设备或在无线网络中操作的设备来操作，所述无线网络例如是提供基于IEEE 802.11规范的无线局域网(WLAN)的基础技术的无线保真(Wi-Fi)、基于IEEE802.16-2005的WiMax和移动WiMax、宽带码分多址(WCDMA)以及全球移动通信系统(GSM)网络，但是本发明不限于仅在这些网络中操作。配置在与通信设备10相同平台中的无线电子系统提供用RF/位置空间中的不同频带来与网络中的其它设备进行通信的能力。
该实施方式示出了天线结构14与收发器12相耦合以实现调制/解调。通常，模拟前端收发器12可以是独立的射频(RF)离散或集成模拟电路，或者收发器12可以嵌有具有一个或多个处理器核16和18的处理器。多个核允许在核之间共享处理工作量并处理基带功能和应用程序功能。数据和指令可以通过处理器和系统存储器20中的存储器存储之间的接口进行传递。
系统存储器20可以包括易失性存储器和具有相变材料的非易失性存储器22。非易失性存储器22可以被称为相变存储器(PCM)、相变随机存取存储器(PRAM或PCRAM)、双向通用存储器(Ovonic Unified Memory(OUM))或者硫族化合物随机存取存储器(C-RAM)。易失性存储器和非易失性存储器可以在堆叠(stacking)过程中被组合以减少板上的覆盖区(footprint)，被单独地封装，或者被置于多芯片封装中(其中存储器部件被置于处理器的顶部)。该实施方式还示出了非易失性存储器32可以嵌有一个处理器核。
PCM单元包括周期表中VI族元素的合金，诸如Te或Se之类的元素被称为硫族化物或硫族材料。硫族化物可以有利地用于相变存储器单元中，以便即使在从非易失性存储器移除电源之后仍然能够提供数据保持力并保持稳定。以相变材料Ge2Sb2Te5为例，表现出具有用于存储器存储的截然不同的电特性的两个相位，即显示高电阻的非晶相(复位状态)和显示低电阻的结晶相(置位(set)状态)。
相变存储器(PCM)中使用的硫族化物材料的电子行为在定义存储器单元的工作电压和响应时间时是关键的。用于电子切换非晶态硫族化物材料的阈值电压是在编程和读出操作之间出现的边界的指示符。例如，当编程操作将存储器单元从结晶相切换到非晶相时，存在着使电阻稳定的恢复时间周期，这是硫族化物材料通常具有的电子现象。
图2示出了阈值电压VT(t)的时间分辨分析，该时间分辨分析显示了遵循使PCM材料为非晶态的编程操作的PCM设备的电阻恢复。从结晶相开始，传给硫族化物材料的足够的能量使局部温度高于融化温度(Tm)。合金的通电的原子进入随机状态，在该随机状态中能量脉冲的快速停止提供了将原子冻结(freeze)成随机、非晶态或半非晶“复位”状态的快速淬火。
如所阐述的那样，该图形示出了遵循编程操作的时间。标记为“电阻恢复时间周期”的时间周期由低阈值电压和低比特电阻所表征。因此，应当注意，刚被编程到非晶相的PCM设备在电阻恢复时间周期期间与结晶(置位)相中的PCM设备的特性是不容易区分的。非晶相的高VT和高电阻特性仅在电阻恢复时间周期(读取操作延迟大约为30ns)之后才被PCM设备所展现出。恢复时间是不可用于读取的“时间暗区”，因为复位比特不是可靠地与置位比特相区分，注意这两个比特都是低电阻率的(高导电)。
图3示出了对于正施加的偏置和负施加的偏置的恢复时间。该图形示出了在用正电压执行了存储器单元复位操作之后，“负”和“正”读取电压的阈值电压VT的演变，其中“负”和“正”是根据存储元件的下电极作为接地节点。注意，如果根据本发明在编程之后将翻转的极性施加到选择器设备上，则恢复时间大大地降低了。
图4示出了包含存储材料以及被偏置为正编程的选择器设备的存储器单元。该偏置避免了MOSFET体效应，该体效应将增加选择器设备的阈值电压并降低它的电流驱动能力。由于存储材料中流动的用于对比特进行复位的电流IRESET通常较高，在一些情况中高至1mA，所以优选用正电压对存储元件进行复位。
另一方面，在读取期间流动的电流通常是较低的电流并具有大约100uA的值，因此，可在没有对选择设备的体效应造成不利影响的情况下翻转极性。图5示出了对存储器单元进行偏置以进行负读取。每个源线(source line)与字线垂直并且保持与其他字线相分离，以便在读取操作期间选择一个单独的比特。
注意，选择器设备不是整流器(例如，二极管)，因为电流在编程期间以一个方向流动并在读取期间以相反的方向流动。图4和图5中所示的N沟道MOSFET设备允许电流以任何方向流动，因为源极端子和漏极端子是可互换的。还应当注意，可采用任意极性来执行结晶比特的读取操作，因为结晶比特不受恢复时间的影响。
图6示出了3×3的存储器阵列组织，该阵列组织包括选择器设备和存储器存储元件以在每个存储器单元位置处存储一个或多个比特信息。注意，3×3阵列提供了简单的存储器阵列，但是本发明的范围并不限于这个方面。位于该阵列中特定行中的选择器设备的栅极接收选择器电压，该选择器电压在各个行中表示为WLm-1、WLm和WLm+1。在列位置处对存储元件进行选址的编程线是用BPLn-1、BPLn和BPLn+1表示的比特编程线(BPL)。对沿着一列存储器单元位置的选择器设备导电端子进行选址的读取线是被表示为BRLn-1、BRLn、BRLn+1的比特读取线(BRL)。
图7示出了图6中所示的被偏置成将所选择的存储器单元编程到非晶相的存储器阵列组织。在编程到复位状态(或置位状态)期间，在1V到5V的电压范围内的正电压VRESET(或VSET)被施加到所选择的比特编程线(BPL)上，同时将所有其他的BPL和比特读取线(即源极线)保持在地电势(GND)。所选择的字线VWL在1V到5V的电压范围内被偏置，以便开启所需的选择器设备。当所施加的电势高于相变材料的阈值电压时，电流IRESET流过该相变材料。一旦所施加的偏置大于阈值电压并且电流IRESET对存储材料进行加热，则发生阈值切换并且该材料进入动态开启状态。
图8根据本发明示出了图6中所示的被偏置为实施负读取的存储器阵列组织。在读取操作期间，在0.2V至0.4V的电压范围内的正读取电压VREAD被施加至所选择的比特读取线(BRL)，同时使所有其它的BRL和所有的BPL都保持在地电势。字线VWL可被在1V至5V的电压范围内被偏置，以选择所需选择器设备。在存储材料中流动的电流IREAD被感测以确定所选择的比特的相位。
这些图形示出了MOSFET选择器，但是应当注意，可以使用任何双向选择器设备。双向选择器设备的一个示例是具有对称I-V特性的双向阈值开关(OTS)。应当意识到，复位和置位分别与非晶态和结晶态的关联是惯例，并且可以采用至少相反的惯例。
到现在为止显而易见的是，本发明的实施方式包括连接到硫族化物材料的MOSFET器件，其中提供给存储器单元的电势在进行编程操作时被翻转了极性以抑制恢复时间并提供设备稳定性以用于读取操作。尽管在编程操作中所选择的存储器单元在硫族化物材料侧接收正电压VRESET并在选择器设备侧接收地电势，在读取操作期间仍然提供了翻转的极性以便硫族化物材料接收地电势并且选择器设备接收正电压VREAD。
虽然本文已经说明和描述了本发明的特定特征，但是本领域技术人员将意识到，可以做出多种修改、替换、改变和等价形式。因此，应当理解，所附权利要求书意于覆盖落入本发明实际精神范围内的所有这些修改和改变。
Claims (19)
1.一种存储系统，该存储系统包括：
在一列存储器阵列中共同连接到编程线的存储器单元，每个存储器单元具有选择器设备并具有共同连接到读取线以接收第一电压电势和第二电压电势的导电端的存储设备。
2.根据权利要求1所述的存储系统，其中，在所述存储系统的编程操作期间，由所述读取线接收到的所述第一电压电势是地电势。
3.根据权利要求1所述的存储系统，其中，在所述存储系统的读取操作期间，由所述读取线接收到的所述第二电压电势是比所述地电势高的电势。
4.根据权利要求3所述的存储系统，其中，在所述存储系统的读取操作期间，由所述读取线接收到的所述第二电压电势位于0.2V至0.4V的范围内。
5.根据权利要求1所述的存储系统，其中，所述第二电压电势在所述第一电压电势之后被接收到，以通过在编程之后向所述选择器设备提供翻转极性来降低恢复时间。
6.一种存储单元，该存储单元包括：
具有耦合到存储元件的第一端子的第一导电端子的选择器设备，其中所述存储元件的第二端子在编程操作期间接收第一正电势并在读取操作期间接收地电势，以及所述选择器设备的第二导电端子在所述编程操作期间接收所述地电势并在所述读取操作期间接收第二正电势。
7.根据权利要求6所述的存储单元，其中，所述第二正电势在所述编程操作之后被接收到，以降低所述存储单元的恢复时间。
8.根据权利要求6所述的存储单元，其中，所述第二正电势在编程之后向所述选择器设备提供翻转的极性。
9.根据权利要求6所述的存储单元，其中，所述选择器设备是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件。
10.根据权利要求6所述的存储单元，其中，所述选择器设备是双向阈值开关(OTS)。
11.根据权利要求6所述的存储单元，其中，所述存储元件是相变存储器(PCM)中所使用的硫族材料。
12.一种相变存储器(PCM)，该相变存储器包括：
具有连接到选择器设备的源极的第一端子和连接到硫族化物材料的第二端子的存储器单元，其中提供给所述第一端子和所述第二端子的电势在编程操作之后极性被翻转以抑制恢复时间并为读取操作提供稳定性。
13.根据权利要求12所述的PCM，其中，所述第一端子在所述PCM的编程操作期间接收地电势以及所述第二端子接收正电势。
14.根据权利要求12所述的PCM，其中，所述第一端子在所述PCM的读取操作期间接收正电势以及所述第二端子接收地电势。
15.一种无线通信系统，包括：
收发器；
耦合到所述收发器的第一处理器核和第二处理器核，其中所述第一处理器核在具有存储器单元的嵌入式相变存储器(PCM)中存储信息，所述存储器单元包括耦合在第一端子和第二端子之间的选择器设备和硫族化物材料，所述第一端子和所述第二端子在编程操作期间接收第一电势，该第一电势在读取操作期间极性被翻转。
16.根据权利要求15所述的无线通信系统，其中，所述第一端子在所述PCM的编程操作期间接收地电势以及所述第二端子接收正电势。
17.根据权利要求16所述的无线通信系统，其中，所述第二端子在所述PCM的编程操作期间接收在1V至5V的范围内的所述第一电势。
18.根据权利要求15所述的无线通信系统，其中，所述第一端子在所述PCM的读取操作期间接收正电势以及所述第二端子接收所述地电势。
19.根据权利要求18所述的无线通信系统，其中，所述第一端子在所述PCM的读取操作期间接收在0.2V至0.4V的范围内的所述正电势。
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