CN105023606A - 一种相变存储器及其恢复数据的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种相变存储器及其恢复数据的方法，包括：获取基准参考电阻值的预写相变存储单元；存储数据的正常访问相变存储单元；控制写入数据及读取数据的电学控制模块；控制温度的温度控制模块。在预写地址和正常访问地址中写入数据；改变环境温度；读取预写地址内的数据，获取基准参考电阻值；读取正常访问地址内的数据，以基准参考电阻值作为参考标准，若数据失效则恢复失效数据。本发明的相变存储器及其恢复数据的方法能快速判定相变存储器中的数据是否失效并恢复失效数据，操作简单、快速、效率高。

Description

一种相变存储器及其恢复数据的方法

技术领域

本发明涉及微电子器件领域，特别是涉及一种相变存储器及其恢复数据的方法。

背景技术

相变存储器(Phase Change Memory，简称为PCM)技术是基于Ovshinsky在20世纪60年代末、70年代初提出的相变薄膜可以应用于相变存储介质的构想建立起来的，是一种价格便宜、性能稳定的存储器件。相变存储器可以做在硅晶片衬底上，其关键材料是可记录的相变薄膜、加热电极材料、绝热材料和引出电极材料等。相变存储器由于具有高速读取、高可擦写次数、非易失性、元件尺寸小、功耗低、抗强震动和抗辐射等优点，被国际半导体工业协会认为最有可能取代目前的闪存存储器而成为未来存储器主流产品和最先成为商用产品的器件。

相变存储器的基本原理是利用电脉冲信号作用于器件单元上，使相变材料在非晶态与多晶态之间发生可逆相变，通过分辨非晶态时的高阻与多晶态时的低阻，可以实现信息的写入、擦除和读出操作。其编程过程分为写入过程(RESET)和擦除过程(SET)。写入过程(RESET)是对相变存储器单元施加一个具有较高幅值及较短脉宽的电压方波或电流，在电学作用下相变材料变成熔融状态，并迅速淬火至结晶温度以下，相变材料变成高阻的非晶态，记为“1”。擦除过程(SET)是对相变存储器施加一个幅度较低脉宽较宽的电学脉冲，使相变材料的温度置于晶化温度和熔融温度之间并持续作用一段时间后，相变材料被置于稳定的低阻晶态，记为“0”。

由于相变存储器都是用高阻的非晶态(记为“1”)和低阻的晶态(记为“0”)的作为储存数据，而相变材料的非晶态与晶态的稳定性与温度有着非常紧密的关系。相变存储器写入的数据为“1”时，即置于非晶态(高阻值)，若将PCM置于高温的环境中，PCM的相变材料可能会发生部分晶化，造成阻值降低，甚至是低至晶态(低阻值)，导致该单元上存储的数据丢失。这就是高温环境对PCM所造成的主要而直接的保持力可靠性问题。即使是高温环境以及放置时间不足以使相变存储器的高阻态转变成低阻态，外界温度环境的变化也足以使相变存储器的相变材料的电学性能发生变化，例如非晶态阻值(RESET阻值)下降，但是并未下降到晶态阻值(SET阻值)。因此，对于已存有数据的相变存储器，如何判断其数据在外界温度环境的变化下是否丢失是不得不考虑的问题，而且随着相变存储器的存储容量和存储密度的不断增加，如何快速的判定数据是否丢失以及快速恢复丢失的数据，已经成为一个刻不容缓的事情。如何快速判定数据丢失及恢复数据已经成为制约相变存储器商用化的一个重要因素。

但是，目前对于在高温环境下，如何快速判定相变存储器数据是否丢失以及快速恢复的研究还比较少。因此，对于相变存储器快速数据恢复方法有待于进一步深入的研究。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种相变存储器及其恢复数据的方法，用于解决现有技术中相变存储器在外界温度变化下数据易丢失的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种相变存储器，所述相变存储器至少包括：

预写相变存储单元，通过对所述预写相变存储单元写入数据及读取数据以获取基准参考电阻值；

正常访问相变存储单元，用于存储数据；

电学控制模块，连接于所述预写相变存储单元及所述正常访问相变存储单元，用于对所述预写相变存储单元及所述正常访问相变存储单元写入数据及读取数据；

温度控制模块，连接于所述预写相变存储单元及所述正常访问相变存储单元，用于控制所述预写相变存储单元及所述正常访问相变存储单元所处环境的温度范围。

优选地，所述温度控制模块为加热器或电压产生装置，通过加热器或外加电压提高所述相变存储器所处环境的温度。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种相变存储器恢复数据的方法，所述相变存储器恢复数据的方法至少包括：

在相变存储器的预写地址和正常访问地址中写入数据；

改变所述相变存储器的环境温度；

读取所述预写地址内的数据，选取非晶态阻值的最小阻值和晶态阻值的最大阻值的几何平均值作为基准参考电阻值；

读取所述正常访问地址内的数据，以所述基准参考电阻值作为参考标准，判断所述正常访问地址内的数据是否失效；

若所述正常访问地址内的数据均未失效则结束；

若所述正常访问地址内的数据失效则恢复失效数据后结束。

优选地，改变所述相变存储器的环境温度的方法包括：将所述相变存储器置于高温环境中，或者对所述相变存储器持续施加外部电压。

优选地，判断所述正常访问地址内的数据是否失效的具体方法包括：若所述正常访问地址内的数据呈现的非晶态阻值低于所述基准参考电阻值或所述正常访问地址内的数据呈现的晶态阻值高于所述基准参考电阻值，则认为对应的正常访问地址内的数据失效；反之若所述正常访问地址内的数据呈现的非晶态阻值高于所述基准参考电阻值或所述正常访问地址内的数据呈现的晶态阻值低于所述基准参考电阻值，则认为对应的正常访问地址内的数据正常。

优选地，恢复失效数据的具体方法包括：将数据重新写入失效数据所对应的正常访问地址内。

优选地，所述预写地址为预留的地址，用于预写数据，并不参与正常访问相变存储器。

优选地，写入所述预写地址中的数据为已知数据，包括相同位数的“1”和“0”。

优选地，所述非晶态阻值是对非晶态下实际电阻取对数，所述晶态阻值是对晶态下实际电阻取对数。

如上所述，本发明的相变存储器及其恢复数据的方法，具有以下有益效果：

本发明的相变存储器及其恢复数据的方法利用相变材料的特性，在预写地址和正常访问地址中写入数据，然后改变相变存储器的外部环境温度；读取预写地址内的数据，获取基准参考电阻值；然后读取正常访问地址中的数据，并以基准参考电阻值作为参考值，判定数据是否失效，若失效对该地址的数据重新写入，恢复到原数据。此时，就可以对相变存储器正常访问。本发明的相变存储器及其恢复数据的方法能快速判定相变存储器中的数据是否失效并恢复失效数据，操作简单、快速、效率高。

附图说明

图1显示为本发明的相变存储器的结构示意图。

图2显示为本发明的相变存储器中预写相变存储单元和正常访问相变存储单元的结构示意图。

图3显示为本发明的相变存储器恢复数据的方法的流程示意图。

元件标号说明

1       相变存储器

11      预写相变存储单元

12      正常访问相变存储单元

13      电学控制模块

14      温度控制模块

15      控制电路

Rref    基准参考电阻值

Rreset  非晶态阻值

Rset    晶态阻值

S1～S7  步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1～图2所示，本发明提供一种相变存储器1，所述相变存储器1至少包括：

预写相变存储单元11、正常访问相变存储单元12、电学控制模块13、温度控制模块14以及控制电路15。

如图1所示，所述预写相变存储单元11连接于所述电学控制模块13及所述温度控制模块14，通过对所述预写相变存储单元11写入数据及读取数据以获取基准参考电阻值Rref。

如图1所示，所述正常访问相变存储单元12连接于所述电学控制模块13及所述温度控制模块14，用于存储数据。

所述预写相变存储单元11的设置是为了获取基准参考电阻值Rref，所述正常访问相变存储单元12的设置是为了提供数据的存储空间。如图2所示，在本实施例中，所述预写相变存储单元11与所述正常访问相变存储单元12的结构一致，自上而下包括：上电极、相变材料层以及下电极。所述预写相变存储单元11与所述正常访问相变存储单元12都是相变存储器中的存储单元，仅仅是分配的地址区域不同。所述预写相变存储单元11仅需要少量的存储地址，而所述正常访问相变存储单元12用于数据存储需要占用较多的存储地址。

如图1所示，所述电学控制模块13连接于所述预写相变存储单元11及所述正常访问相变存储单元12，用于对所述预写相变存储单元11及所述正常访问相变存储单元12进行写入数据及读取数据的操作。所述电学控制模块13还连接于控制电路15，受所述控制电路15的控制执行写入数据及读取数据的相应操作。所述电学控制模块13的激励信号和测试信号的产生方式和控制方式是本领域技术人员根据现有的控制技术及操作方法所能够实现的，在此不再一一赘述。

如图1所示，所述温度控制模块14连接于所述预写相变存储单元及所述正常访问相变存储单元，用于控制所述预写相变存储单元11及所述正常访问相变存储单元12所处环境的温度范围以及高温持续时间。所述温度控制模块14还连接于控制电路15，受所述控制电路15的控制执行升高温度及高温持续时间的控制。所述温度控制模块14可以是加热器或电压产生装置，通过加热器或外加电压提高所述相变存储器所处环境的温度。

如图1所示，所述控制电路15连接于所述电学控制模块13及所述温度控制模块14，作为整个相变存储器的控制电路向所述电学控制模块13及所述温度控制模块14发出控制命令，以此协调整个相变存储器的工作。

如图3所示，本发明还提供一种相变存储器恢复数据的方法，所述相变存储器恢复数据的方法至少包括：

步骤S1：在相变存储器的预写地址和正常访问地址中写入数据。

具体地，藉由所述电学控制模块14向所述预写相变存储单元11及所述正常访问相变存储单元12中写入数据。其中，写入所述预写相变存储单元11中的预写地址的数据为已知数据，包括相同位数的“1”和“0”，在本实施例中，向所述预写地址中写入8位“1”和8位“0”。所述预写地址为预留在所述预写相变存储单元11中的多个存储地址，用于预写数据、获取基准参考电阻值Rref，并不参与正常访问相变存储器。写入所述正常访问相变存储单元12的正常访问地址中的数据为需要储存的数据。

步骤S2：改变所述相变存储器的环境温度。

具体地，藉由所述温度控制模块13将所述预写相变存储单元11及所述正常访问相变存储单元12所处的环境温度(例如120℃-210℃，此温度范围可以根据PCM所使用的相变材料具体结晶温度而变化)提高，温度的变化使相变材料在非晶态下的电阻和晶态下的电阻发生改变。改变环境温度的方法包括：将所述相变存储器置于高温环境中；或者对所述相变存储器持续施加外部电压，通过外部电压影响所述相变存储器的温度。在本实施例中，直接将所述相变存储器置于高温环境中一段时间，以使相变材料的非晶态下的电阻和晶态下的电阻发生改变。这段时间内不对所述相变存储器进行任何的数据处理。

步骤S3：读取所述预写地址内的数据，选取非晶态阻值(RESET阻值)Rreset的最小阻值和晶态阻值(SET阻值)Rset的最大阻值的几何平均值作为基准参考电阻值Rref。

具体地，藉由所述电学控制模块14读取所述预写相变存储单元11中预存的数据，并获取各数据的阻值，在非晶态下呈现为非晶态阻值Rreset，在晶态下呈现为晶态阻值Rset，选取所述非晶态阻值Rreset中的最小阻值和所述晶态阻值Rset中的最大阻值，并对所述非晶态阻值Rreset中的最小阻值和所述晶态阻值Rset中的最大阻值取几何平均，以此作为基准参考电阻值Rref。

在本实施例中，为了提高所述基准参考电阻值Rref的可操作性，所述非晶态阻值Rreset是对非晶态下实际电阻取对数，所述晶态阻值Rset是对晶态下实际电阻取对数，即表示为：log(实际电阻值)。

步骤S4：读取所述正常访问地址内的数据。

具体地，藉由所述电学控制模块14读取所述正常访问相变存储单元12中储存的数据，并获取各数据的非晶态阻值Rreset或晶态阻值Rset。在本实施例中，所述非晶态阻值Rreset是对非晶态下实际电阻取对数，所述晶态阻值Rset是对晶态下实际电阻取对数，即表示为log(实际电阻值)。

步骤S5：以所述基准参考电阻值Rref作为参考标准，判断所述正常访问地址内的数据是否失效。

具体地，在本实施例中，将各数据对应的非晶态阻值Rreset或晶态阻值Rset与所述基准参考电阻值Rref一一进行比较。若所述正常访问地址内的数据呈现的非晶态阻值Rreset低于所述基准参考电阻值Rref或所述正常访问地址内的数据呈现的晶态阻值Rset高于所述基准参考电阻值Rref，则认为对应的正常访问地址内的数据失效；反之若所述正常访问地址内的数据呈现的非晶态阻值Rreset高于所述基准参考电阻值Rref或所述正常访问地址内的数据呈现的晶态阻值Rset低于所述基准参考电阻值Rref，则认为对应的正常访问地址内的数据正常。

步骤S6：若所述正常访问地址内的数据均未失效则结束。

具体地，如果所述正常访问地址内的数据呈现的非晶态阻值Rreset高于所述基准参考电阻值Rref，则该地址内对应的数据正常；如果所述正常访问地址内的数据呈现的晶态阻值Rset低于所述基准参考电阻值Rref，则认为该地址内对应的数据正常。当正常访问地址内的所有数据均正常，则可继续进行后续的数据读取和数据处理。

步骤S7：若所述正常访问地址内的数据失效则恢复失效数据后结束。

具体地，如果所述正常访问地址内的数据呈现的非晶态阻值Rreset低于所述基准参考电阻值Rref，则认为该正常访问地址内对应的数据失效；若所述正常访问地址内的数据呈现的晶态阻值Rset高于所述基准参考电阻值Rref，则该正常访问地址内对应的数据失效。若数据失效则需要对相应的失效数据进行恢复。在本实施例中，恢复失效数据的具体方法包括：将数据重新写入失效数据所对应的正常访问地址内，使恢复的数据和原始数据保持一致。之后便可以进行正常的数据读取和数据处理。

本发明的相变存储器及其恢复数据的方法利用相变材料的特性，首先对相变存储器的预写地址写入数据，然后利用高温的外部条件对相变存储器单元进行处理，在经过一定时间后读取已存的预写数据，读取PCM单元的非晶态阻值和晶态阻值，然后选取非晶态阻值最小值及晶态最大值的几何平均值最为基准参考电阻值，读取相变存储器的正常访问地址中的数据，并以基准参考电阻值作为参考值，若此次读取的正常访问地址的非晶态阻值低于基准参考电阻或晶态阻值高于基准参考电阻，则判定数据失效，然后对该地址的数据重新写入，恢复到原数据。此时，就可以对相变存储器正常访问。

综上所述，本发明提供一种相变存储器，包括：预写相变存储单元，通过对所述预写相变存储单元写入数据及读取数据以获取基准参考电阻值；正常访问相变存储单元，用于存储数据；电学控制模块，连接于所述预写相变存储单元及所述正常访问相变存储单元，用于对所述预写相变存储单元及所述正常访问相变存储单元写入数据及读取数据；温度控制模块，连接于所述预写相变存储单元及所述正常访问相变存储单元，用于控制所述预写相变存储单元及所述正常访问相变存储单元所处环境的温度范围。本发明还提供一种相变存储器恢复数据的方法，包括：在相变存储器的预写地址和正常访问地址中写入数据；改变所述相变存储器的环境温度；读取所述预写地址内的数据，选取非晶态阻值的最小阻值和晶态阻值的最大阻值的几何平均值作为基准参考电阻值；读取所述正常访问地址内的数据，以所述基准参考电阻值作为参考标准，判断所述正常访问地址内的数据是否失效；若所述正常访问地址内的数据未失效则结束；若所述正常访问地址内的数据失效则恢复失效数据后结束。本发明的相变存储器及其恢复数据的方法利用相变材料的特性，在预写地址和正常访问地址中写入数据，然后改变相变存储器的外部环境温度；读取预写地址内的数据，获取基准参考电阻值；然后读取正常访问地址中的数据，并以基准参考电阻值作为参考值，判定数据是否失效，若失效对该地址的数据重新写入，恢复到原数据。此时，就可以对相变存储器正常访问。本发明的相变存储器及其恢复数据的方法能快速判定相变存储器中的数据是否失效并恢复失效数据，操作简单、快速、效率高。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具有高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种相变存储器，其特征在于，所述相变存储器至少包括：

预写相变存储单元，通过对所述预写相变存储单元写入数据及读取数据以获取基准参考电阻值；

正常访问相变存储单元，用于存储数据；

电学控制模块，连接于所述预写相变存储单元及所述正常访问相变存储单元，用于对所述预写相变存储单元及所述正常访问相变存储单元写入数据及读取数据；

温度控制模块，连接于所述预写相变存储单元及所述正常访问相变存储单元，用于控制所述预写相变存储单元及所述正常访问相变存储单元所处环境的温度范围。

2.根据权利要求1所述的相变存储器，其特征在于：所述温度控制模块为加热器或电压产生装置，通过加热器或外加电压提高所述相变存储器所处环境的温度。

3.一种相变存储器恢复数据的方法，其特征在于，所述相变存储器恢复数据的方法至少包括：

在相变存储器的预写地址和正常访问地址中写入数据；

改变所述相变存储器的环境温度；

读取所述预写地址内的数据，选取非晶态阻值的最小值和晶态阻值的最大值的几何平均值作为基准参考电阻值；

读取所述正常访问地址内的数据，以所述基准参考电阻值作为参考标准，判断所述正常访问地址内的数据是否失效；

若所述正常访问地址内的数据均未失效则结束；

若所述正常访问地址内的数据失效则恢复失效数据后结束。

4.根据权利要求3所述的相变存储器恢复数据的方法，其特征在于：改变所述相变存储器的环境温度的方法包括：将所述相变存储器置于高温环境中，或者对所述相变存储器持续施加外部电压。

5.根据权利要求3所述的相变存储器恢复数据的方法，其特征在于：判断所述正常访问地址内的数据是否失效的具体方法包括：若所述正常访问地址内的数据呈现的非晶态阻值低于所述基准参考电阻值或所述正常访问地址内的数据呈现的晶态阻值高于所述基准参考电阻值，则认为对应的正常访问地址内的数据失效；反之若所述正常访问地址内的数据呈现的非晶态阻值高于所述基准参考电阻值或所述正常访问地址内的数据呈现的晶态阻值低于所述基准参考电阻值，则认为对应的正常访问地址内的数据正常。

6.根据权利要求3所述的相变存储器恢复数据的方法，其特征在于：恢复失效数据的具体方法包括：将数据重新写入失效数据所对应的正常访问地址内。

7.根据权利要求3所述的相变存储器恢复数据的方法，其特征在于：所述预写地址为预留的地址，用于预写数据，并不参与正常访问相变存储器。

8.根据权利要求3所述的相变存储器恢复数据的方法，其特征在于：写入所述预写地址中的数据为已知数据，包括相同位数的“1”和“0”。

9.根据权利要求3所述的相变存储器恢复数据的方法，其特征在于：所述非晶态阻值是对非晶态下实际电阻取对数，所述晶态阻值是对晶态下实际电阻取对数。