KR100650098B1 - Programming a phase-change material memory - Google Patents
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Abstract
메모리 장치는, 셀의 데이터를 저장하기 위한 구조적 상변화 재료를 포함하는 구성 셀(604)를 가진다. 이러한 재료는, 예를 들면, 칼코겐화물 합금일 수 있다. 제1 펄스(204)가 셀(604)에 인가되어, 재료가 상대적으로 비정질이고 상대적으로 높은 비저항를 갖는 리세트 상태와 같은 제1 상태로 재료를 둔다. 그 후, 제2 펄스(208)가 셀(604)에 인가되어 재료를, 제1 상태로부터 재료가 상대적으로 결정질이고 상대적으로 낮은 비저항을 갖는 세트 상태와 같은, 서로 다른 제2 상태로 변경시킨다. 이러한 제2 펄스(208)는 전반적으로 사각형 형상보다 삼각형 형상을 가진다. The memory device has a constituent cell 604 that includes a structural phase change material for storing data of the cell. Such a material may be, for example, a chalcogenide alloy. A first pulse 204 is applied to the cell 604 to place the material in a first state, such as a reset state in which the material is relatively amorphous and has a relatively high resistivity. A second pulse 208 is then applied to the cell 604 to change the material from the first state to a second, different state, such as a set state in which the material is relatively crystalline and has a relatively low resistivity. The second pulse 208 generally has a triangular shape rather than a rectangular shape.
상변화 메모리, 칼코겐화물, 프로그램, 제1 펄스, 제2 펄스, 중간 상태 Phase change memory, chalcogenide, program, first pulse, second pulse, intermediate state
Description
본 발명은, 데이터를 저장하기 위해 서로 다른 비저항 상태들로 프로그램될 수 있는 칼코겐화물(chalcogenide) 재료를 사용하는 것과 같은, 구조적 상변화 재료 고상 메모리 장치를 프로그램하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a technique for programming a structural phase change material solid state memory device, such as using a chalcogenide material that can be programmed to different resistivity states to store data.
구조적 상변화 재료를 데이터 저장 메카니즘으로 사용하는 고상 메모리 장치(본원에서는 간단히 "상변화 메모리(phase-change memories)"로 표현함)는 종래의 전하 저장 기반 메모리들에 비해 비용 및 성능 모두에 대해 상당한 이점을 가진다. 상변화 메모리는, 각 셀이 셀의 데이터를 저장하기 위한 소정의 구조적 상변화 재료를 갖는 구성 셀들의 어레이로 이루어진다. 이 재료는, 예를 들면 비정질로부터 결정질로의 가역적인 구조적 상변화를 나타내는 칼코겐화물 합금일 수 있다. 적은 부피의 칼코겐화물 합금이, 셀을 프로그램가능한 고속의 스위칭하는 저항기 역할을 하도록 하는 회로에 집적된다. 이러한 프로그램가능한 저항기는 결정질 상태(낮은 비저항)과 비정질 상태(높은 비저항) 간의 비저항의 동적 범위가 40배 이상 클 수 있으며, 각 셀에 다중 비트 저장을 허용하는 다수의 중간 상태들을 나타낼 수도 있다. 셀에 저장된 데이터는 셀의 저항을 측정함으로써 판독된다. 칼코겐화물 합금 셀은 또한 불휘발성이다.Solid-state memory devices using structural phase change materials as data storage mechanisms (herein simply referred to as "phase-change memories") have significant advantages for both cost and performance over conventional charge storage based memories. Has Phase change memory consists of an array of constituent cells, each cell having a predetermined structural phase change material for storing the data of the cell. This material can be, for example, a chalcogenide alloy exhibiting a reversible structural phase change from amorphous to crystalline. A small volume of chalcogenide alloy is integrated in the circuit that serves as a programmable high speed switching resistor. Such a programmable resistor may have a dynamic range of resistivity greater than 40 times between the crystalline state (low resistivity) and the amorphous state (high resistivity), and may represent a number of intermediate states allowing multiple bit storage in each cell. Data stored in a cell is read by measuring the resistance of the cell. Chalcogenide alloy cells are also nonvolatile.
상변화 메모리 셀을 프로그램하기 위한 종래 기술은, 재료를 리세트 상태(비정질이고 높은 비저항)로 두는, 상변화 재료에 대한 스위칭 임계치보다 큰 전압에서 (일정한 크기를 갖는) 사각 펄스 전류를 셀에 인가하는 것이다. 이에 후속하여, 재료를 세트 상태(결정질이고 낮은 비저항)로 변경시키는, 스위칭 임계치보다 큰 전압에서 후속 사각 펄스가 인가된다. 리세트 펄스는 세트 펄스보다 큰 크기의 전류를 가지기 때문에, 상변화 재료의 온도는 비정질화 온도 Tm으로 상승하고, 재료가 급격히 냉각되기 전에 비정질 상태로 된다. 결정질 상태로 변경시키기 위해서, 재료는, Tm보다 낮은, 최적 온도 Topt까지 다시 가열된다. 온도 Topt는, 셀 내의 재료를 비교적 짧은 시간 간격 내에 결정화시키고 비교적 낮은 저항을 생성하도록 한다. 이상적으로, 이러한 것은, 상변화 재료가 비정질화 온도에 도달하는 것을 방지하기 위해 리세트 펄스의 크기보다 작으나, 재료가 Topt에 도달하기에 충분할 정도로 큰 세트 펄스의 크기를 가짐으로써 달성된다. Prior art for programming a phase change memory cell applies a square pulse current (of constant magnitude) to the cell at a voltage greater than the switching threshold for the phase change material, which puts the material in a reset state (amorphous and high resistivity). It is. Subsequently, a subsequent square pulse is applied at a voltage above the switching threshold, which changes the material to the set state (crystalline and low resistivity). Since the reset pulse has a larger magnitude of current than the set pulse, the temperature of the phase change material rises to the amorphous temperature T m , and becomes amorphous before the material is rapidly cooled. In order to change to the crystalline state, the material is heated again to an optimum temperature T opt , which is lower than T m . The temperature T opt allows the material in the cell to crystallize in a relatively short time interval and to produce a relatively low resistance. Ideally, this is accomplished by having a set pulse size that is less than the size of the reset pulse to prevent the phase change material from reaching the amorphous temperature, but large enough to allow the material to reach T opt .
상변화 메모리들에서의 제조 프로세스 및 재료의 변동으로 인해, 제조된 장치의 셀들 내의 상변화 재료의 실제 온도는, 세트 펄스에 의해 얻어진 소정의 프로그래밍 전류/전압 레벨에 대해, 셀에 따라 상당히 변화한다. 이러한 변동으로 인해, 종래의 사각 세트 펄스 인가 동안 장치 내의 하나 이상의 셀들 내의 재료가 Tm 에 우연히 도달하게 됨으로써, 그러한 셀들은 세트 상태로 변경되기 보다 리세트 상태로 잘못 남아 있게 된다. 이러한 문제점을 회피하기 위해, 종래의 프로그래밍 기술들은 도 1에 도시된 바와 같은, 감소된 크기를 가지는 (장치 내의 모든 셀에 인가되는) 사각 세트 펄스를 사용한다. 세트 전류의 크기가 충분히 낮기 때문에, 그러한 크기에서의 셀 온도의 예상된 변동의 측면에서, 세트 펄스가 인가되는 동안 장치 내의 어떠한 셀도 Tm에 도달하지 않는다는 것을 보장한다. 그러나, 이러한 해결책은, 세트 펄스의 보다 낮은 크기에 의해 생성되는 최적의 온도보다 낮기 때문에 보다 긴 사각 세트 펄스가 필요하게 되어, 메모리 장치의 프로그래밍을 느리게 할 수 있다. 또한, 메모리 내의 많은 셀들이, 그러한 셀들 내의 세트 상태와 리세트 상태 간의 비저항의 동적 범위를 감소시키는, 최적의 결정화 온도보다 상당히 낮은 상태에 놓이게 된다. Due to the manufacturing process and material variations in the phase change memories, the actual temperature of the phase change material in the cells of the manufactured device varies significantly from cell to cell, for a given programming current / voltage level obtained by the set pulse. . This variation causes the material in one or more cells in the device to accidentally reach T m during conventional square set pulse application, such that such cells remain incorrectly in the reset state rather than being changed to the set state. To avoid this problem, conventional programming techniques use a square set pulse (applied to all cells in the device) with reduced magnitude, as shown in FIG. Since the magnitude of the set current is sufficiently low, in terms of expected fluctuations in the cell temperature at that magnitude, it is ensured that no cell in the device reaches T m while the set pulse is applied. However, this solution requires a longer rectangular set pulse because it is lower than the optimum temperature produced by the lower magnitude of the set pulse, which can slow the programming of the memory device. In addition, many cells in the memory are placed at significantly lower than the optimal crystallization temperature, which reduces the dynamic range of the resistivity between the set and reset states in those cells.
본 발명은, 유사한 참조 번호들이 유사한 구성요소들을 나타내는 첨부 도면들의 도면에서 예시적으로 도시되며 이에 한정되지는 않는다. 주의해야 할 점은, 본 명세서에서 "일(an)" 실시예에 대한 참조는 반드시 동일한 실시예를 의미하는 것이 아니라, 적어도 하나를 의미한다는 것이다.The invention is illustrated by way of example and not by way of limitation in the figures of the accompanying drawings in which like reference numerals indicate like elements. It should be noted that reference to an "an" embodiment herein does not necessarily mean the same embodiment, but rather at least one.
도 1은 상변화 메모리를 프로그래밍하기 위한 종래의 펄스 시퀀스를 나타낸다.1 shows a conventional pulse sequence for programming a phase change memory.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 세트 스위프(set sweep)를 포함하는 상변화 메모리 프로그래밍 펄스들의 시퀀스를 나타낸다.2 illustrates a sequence of phase change memory programming pulses including a set sweep, in accordance with an embodiment of the present invention.
도 3은 상변화 재료 메모리 셀 내의 결정화 시간을 상변화 재료의 온도의 함 수로서 나타낸 도면이다.3 shows the crystallization time in the phase change material memory cell as a function of the temperature of the phase change material.
도 4는 세트 스위프를 포함하는, 상변화 메모리 프로그래밍 펄스들의 다른 시퀀스를 나타낸다.4 shows another sequence of phase change memory programming pulses, including a set sweep.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 세트 스위프가 셀에 인가되는 동안, 메모리 셀 내의 상변화 재료의 온도의 변화 대 시간을 나타낸다.5 shows the change in time versus temperature of the phase change material in a memory cell while a set sweep is applied to the cell according to one embodiment of the invention.
도 6은 특정 상변화 메모리 장치에 대해, 메모리 셀 저항 대 프로그래밍 전류 레벨을 도시하는 도면이다.6 is a diagram illustrating memory cell resistance versus programming current levels for a particular phase change memory device.
도 7은 집단(population)에서 상대적으로 넓은 변동의 예를 나타내는, 큰 집단의 메모리 셀들에 대한, 메모리 셀 저항 대 프로그래밍 전류를 나타내는 도면이다.FIG. 7 is a diagram illustrating memory cell resistance versus programming current for a large population of memory cells, illustrating an example of a relatively wide variation in population.
도 8은 장치의 구성 셀들을 프로그램하는데 필요한 전압 및 전류 레벨들을 제공하도록 설계된, 파형 정형(waveshaping) 및 구동 회로를 포함하는, 상변화 재료 메모리 장치의 블록도이다.8 is a block diagram of a phase change material memory device, including waveshaping and driving circuitry, designed to provide the voltage and current levels needed to program the component cells of the device.
도 9는 프로그래밍 프로세스를 포함하는 상변화 메모리의 휴대용 애플리케이션의 일 실시예의 블록도이다.9 is a block diagram of one embodiment of a portable application of a phase change memory that includes a programming process.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상변화 메모리를 프로그래밍하기 위한 세트 펄스는 전반적으로 사각형보다 삼각형으로 정형된다. 그러한 펄스는 본원에서 "세트 스위프(set sweep)"로도 불린다. 세트 스위프를 사용하면, 세트 펄스 전류의 크기는 증가할 수 있어, 장치 내의 모든 셀들 내의 상변화 재료는, 펄스의 후미부(trailing portion)에서의 하향 기울기로 인해, 세트 펄스가 여전히 세트 상태로 변경시키는 동안에 적어도 Topt의 온도에 도달할 수 있다. 제조 프로세스 및 재료 변동에도 불구하고, 보다 나은 결정화가 메모리 내에 발생한다. 보다 나은 결정화가 발생하면, 세트 상태와 리세트 상태 간의 비저항 차이들은 보다 더 뚜렷해진다. 이것은, 메모리 내의 변동에 대한 허용오차가 증가되어, 제조 및 테스트 플로우로부터 보다 큰 수율을 얻어 제조 비용을 낮춘다는 것을 의미한다.According to one embodiment of the invention, the set pulses for programming the phase change memory are generally triangular rather than rectangular. Such pulses are also referred to herein as "set sweeps." Using set sweep, the magnitude of the set pulse current can be increased so that the phase change material in all the cells in the device changes the set pulse to the set state still due to the downward slope at the trailing portion of the pulse. At least the temperature of T opt can be reached during the process. Despite manufacturing process and material variations, better crystallization occurs in memory. As better crystallization occurs, the resistivity differences between the set and reset states become even more pronounced. This means that tolerances to variations in memory are increased, resulting in higher yields from manufacturing and test flows, thereby lowering manufacturing costs.
삼각형 세트 펄스의 크기가 종래의 세트 전류 크기보다 큰 경우 메모리 장치가 Tm만큼 높은 온도에 도달하더라도, 삼각형으로 정형된 펄스는 감쇠하거나 또는 하향 기울기를 갖는 후미부를 가지기 때문에 Tm에 도달하는 셀들도 Topt 또는 그 근방 온도로 냉각되고 결정화될 가능성이 있을 것이다. 후미부 동안의 감쇠(decay)는, 그러한 셀들이 대략 Topt에서 최소한의 요구되는 시간 간격을 보내는 것을 보장할 정도로 충분히 느려서 그러한 셀들 내에서도 보다 나은 결정화를 이룰 수 있다. 셀 집단에 걸쳐 큰 변동을 갖는 것으로 예측되는 장치들에 대해, 후미부의 기울기에 대한 최대값으로부터 최소값으로의 전류 천이 시간은 비교적 적은 변동을 나타낼 것으로 예측되는 장치들 보다 길 필요가 있다.Even if the memory device reaches a temperature as high as T m when the magnitude of the triangle set pulse is greater than the conventional set current magnitude, the cells reaching T m are also decayed or have a trailing edge with a downward slope. T opt, or it will have the possibility of being cooled to a temperature near the crystallization. Decay during the trailing edge is slow enough to ensure that such cells have the minimum required time interval at approximately T opt so that better crystallization can be achieved within such cells. For devices that are expected to have large fluctuations across the cell population, the current transition time from maximum to minimum for the slope of the trailing edge needs to be longer than those expected to exhibit relatively little fluctuation.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 상변화 메모리 프로그래밍 펄스들의 시퀀스를 나타낸다. 제1 펄스(204)가 상변화 메모리의 구성 셀에 인가된다. 이러한 펄스는 임의의 종래 유형일 수 있다. 전형적인 형상은, 도시된 바와 같이, 일정한 전류 크기를 갖는 사각형이다. 사각형 펄스들은, 단일 스위칭 트랜지스터(도 시 안됨)만을 사용하여 생성하기에 용이하다. 배경기술에서 상술한 바와 같이, 제1 펄스(204)는, 셀 내의 상변화 재료가 재료의 비정질화 온도 Tm에 도달할 정도의 충분히 높은 크기 Ireset를 가지는 리세트 또는 비정질화 펄스일 수 있다. 대안적으로, 제1 펄스(204)가 셀을 미리 정의된 상태로 두는 한 전류 크기는 서로 다를 수 있다. 제1 펄스(204)의 펄스 폭은, 미리 정의된 상태를 얻는데 충분할 정도록 길게 선택될 수도 있다.2 illustrates a sequence of phase change memory programming pulses, in accordance with an embodiment of the invention. The
제1 펄스(204)의 인가 이후에, 도시된 바와 같이 전반적으로 형상이 삼각형인 제2 펄스(208)가 후속한다. 제2 펄스(208)는 크기 또는 최대 I2(max)에서 피크를 갖는 선단부(leading portion) 및 최소값 I2(min)으로 감쇠하는 후미부를 갖는다. 선단부는 후미부보다 훨씬 더 큰 기울기를 가질 수 있다. 제2 펄스(208)의 형상은, 제조 프로세스 및 상변화 재료들에 대한 재료 변동 및 메모리 장치의 구성 셀들 내의 회로의 측면에서 선택될 수 있어, 제2 펄스(208)가 셀 각각에 인가되면, 메모리 장치의 모든 셀이 제1 상태에서, 서로 다른 제2 상태로 변경된다. 제1 및 제2 상태들은 배경기술에서 상술한 리세트 및 세트 상태들일 수 있다. 제2 펄스(208)의 정형은, 사용된 상변화 재료의 구조 및 유형 뿐만 아니라 메모리 장치의 동작하는 열적 환경의 측면에서, 최대 및 최소 값들, 감쇠 속도/펄스 폭을 포함하는 다수의 파라미터들의 설정을 포함한다. After the application of the
I2(max) 및 I2(min) 레벨들은 넓은 범위의 값들을 취할 수 있다. 예를 들면, I2(max)는 실질적으로 Ireset보다 클 수 있거나 또는 펄스가 인가될 셀들 내의 상변화 재료들이 결정화되는 것을 보장할 정도로 펄스 폭이 충분히 긴 경우 실질적으로 보다 작을 수 있다. 결정화는 온도와 해당 온도에서 재료가 보내는 시간량 모두의 함수이다. 이것은, (상변화 재료 메모리 셀 내의) 결정화 시간이 상변화 재료의 온도의 함수인 예시적인 도면을 도시하는 도 3에 의해 설명될 수 있다. 그 도면은, Topt아래의 온도에서, 재료는 결정화되기에 보다 긴 시간 구간을 필요로 하는 것을 나타낸다. 그 결과, (상변화 재료 내에 생성되는 보다 낮은 온도로 대략 변환하는) 보다 낮은 전류 크기들에서는, 상변화 메모리 셀을 세트하는데 보다 긴 펄스 폭들이 필요하다. 이상적으로 세트 펄스는, 가장 짧은 세트 프로그래밍 간격 Tmin와 그러한 셀들에 대해 가장 낮은 세트 상태 저항을 제공하기 위해, 메모리 장치 내의 가능한 많은 셀들에 대해, Topt를 생성하는 전류 크기를 가진다.I 2 (max) and I 2 (min) levels can take a wide range of values. For example, I 2 (max) may be substantially larger than I reset or may be substantially smaller if the pulse width is long enough to ensure that the phase change materials in the cells to which the pulse is applied are crystallized. Crystallization is a function of both temperature and the amount of time the material spends at that temperature. This can be explained by FIG. 3, which shows an exemplary diagram in which the crystallization time (in a phase change material memory cell) is a function of the temperature of the phase change material. The figure shows that at temperatures below T opt , the material requires a longer time period to crystallize. As a result, at lower current magnitudes (which roughly translate to lower temperatures created in the phase change material), longer pulse widths are needed to set the phase change memory cell. Ideally, the set pulse has a shortest set programming interval T min and a current magnitude that generates T opt for as many cells as possible in the memory device to provide the lowest set state resistance for those cells.
I2(min) 레벨은, 0만큼 낮은 것을 포함하여, 넓은 범위의 값들로 변화할 수도 있다. 이상적으로, 세트 펄스에 대한 I2(min)의 상한은, 펄스가 인가될 모든 셀들 내의 상변화 재료의 온도가 (I2(min)에 도달한 경우) 펄스의 끝부분에서 Tm 아래인 것을 보장하는 값이다.The I 2 (min) level may change to a wide range of values, including as low as zero. Ideally, the upper limit of I 2 (min) for a set pulse is such that the temperature of the phase change material in all cells to which the pulse is applied is below T m at the end of the pulse (if I 2 (min) is reached ) . It is a guaranteed value.
도 4는 상변화 메모리 프로그래밍 펄스의 또 다른 시퀀스를 나타낸다. 주의할 점은, 전반적으로 삼각형으로 표현되더라도, 이러한 예에서 제2 펄스 (세트 스위프)(308)가 선단부와 후미부 사이에 비교적 짧은 중간부를 어떻게 갖는 것인가이다. 중간부는 선단부와 후미부에 비해 본질적으로 0의 기울기를 가진다. 또한, 도 2의 선형 감쇠 속도와는 대조적으로, 도 4의 후미부는 비선형 기울기를 가진다. 일반적으로, 후미부에서의 감쇠 속도는, 후미부들이 장치 내의 모든 관련 셀들이 급속 결정화 온도 구간을 통해 스위프되게 하는 한, 다항식, 로그, 및 지수를 포함하는 넓은 범위일 수 있다.4 shows another sequence of phase change memory programming pulses. It should be noted how, in this example, the second pulse (set sweep) 308 has a relatively short middle part between the leading end and the trailing end, even though it is generally represented by a triangle. The middle part has an essentially zero slope relative to the leading and trailing parts. In addition, in contrast to the linear decay rate of FIG. 2, the trailing portion of FIG. 4 has a nonlinear slope. In general, the rate of attenuation at the trailing edge may be in a wide range, including polynomials, logarithms, and exponents, as long as the trailing edges allow all relevant cells in the device to sweep through the rapid crystallization temperature interval.
상변화 메모리에서의 셀 온도들에 대한 삼각형 세트 펄스의 영향은 도 5의 예시적인 도면에 도시되어 있다. 삼각형 세트 펄스의 소정의 크기 및 감쇠 속도에 대해 (음영으로 된 밴드로 도시된) 온도의 큰 변동이 있는 경우라도, 전체 메모리 장치는 급속 결정화 온도 구간을 통해 스위프되기 때문에, 최적, 즉 가장 낮은 세트 저항이 장치 내의 모든 셀에 대해 얻어지는 것을 볼 수 있다. 이는, 특정 상변화 메모리 장치에 대한 메모리 셀 저항 대 세트 전류의 도표인 도 6에도 도시되어 있다. 저항은, 리세트 상태에서 시작하는, 메모리 셀이 다양한 레벨의 프로그래밍 전류에 응답하는 것으로 도시된다. 다양한 레벨의 프로그래밍 전류를 적용하기 위한 시퀀스는, 좌측으로부터 시작하고 그 후 우측으로 이동하며 그 후 다시 좌측으로 돌아오는 화살표들로 표시된다. 보는 바와 같이, 가장 낮은 세트 저항은, 리세트 레벨로의 빠른 상승 직전의 세트 전류 값에서 얻어진다. 세트 펄스의 삼각형 성질로 인해, 세트 스위프 펄스가 그 피크값으로부터 아래로 다시 스위프됨에 따라 이러한 가장 낮은 세트 저항은 "고정(locked in)"되는 이점이 있다. 메모리 장치 내의 각 셀에 대해 가장 낮은 세트 저항이 보장되면, 메모리 판독 동작에 대한 우수한 마진, 보다 높은 제조 수율 뿐만 아니라 보다 나은 제품 신뢰성이 제공된다.The effect of the triangle set pulse on the cell temperatures in the phase change memory is shown in the example diagram of FIG. 5. Even if there is a large fluctuation in temperature (shown in shaded bands) for a given magnitude and attenuation rate of the triangle set pulse, the entire memory device is swept through the rapid crystallization temperature interval, thus optimizing the lowest set It can be seen that the resistance is obtained for every cell in the device. This is also shown in FIG. 6, which is a plot of memory cell resistance versus set current for a particular phase change memory device. The resistance is shown as the memory cell responds to various levels of programming current, starting in the reset state. The sequence for applying the various levels of programming current is indicated by arrows starting from the left and then moving to the right and then back to the left. As can be seen, the lowest set resistance is obtained at the set current value just before the rapid rise to the reset level. Due to the triangular nature of the set pulse, this lowest set resistance has the advantage of being "locked in" as the set sweep pulse is swept back down from its peak value. Guaranteed lowest set resistance for each cell in the memory device provides good margins for memory read operations, higher manufacturing yields, as well as better product reliability.
세트 스위프의 이점은, 또한 메모리 장치 내의 큰 집단의 메모리 셀들에 대한, 메모리 셀 저항 대 프로그래밍 전류의 도면을 나타내는 도 7을 감안하면 이해될 것이다. 이 장치는, 그 구성 메모리 셀들의 집단에서 비교적 넓은 변동을 겪는다. 모든 셀들을 세트 상태로부터 리세트 상태로 취하기 위해, Ireset 크기를 갖는 종래의 사각형 펄스를 각 셀에 인가할 것이다. 그러나, (일정한 크기를 갖는) 동일한 사각형 세트 펄스를 인가하는 종래의 프로그래밍 기술은 장치 내의 모든 셀을 세트 상태로 되돌릴 수 없다. 이는, 그렇게 하기 위해서는 전류 크기가 적어도 Iconv.정도 만큼 높아야 하기 때문이다. 그러나, 그 크기에서, 소정의 셀들, 즉 영역(704)에 해당하는 셀들은, 펄스가 급격히 종료된 경우 리세트 상태로 머물것이다. 대조적으로, 이러한 것은, 영역(704) 내의 셀들 뿐만 아니라 영역(708) 내의 셀들을 포함하는 모든 셀이, 펄스가 I2(min)으로 서서히 감쇠되는 시간만큼 그들의 결정화 온도 간격을 통해 스위프될 것이기 때문에 (그 결과 세트 상태로 되돌아가는 것이 보장됨), I2(min)이 도시된 바와 같이 선택되면, 세트 스위프시 발생하지 않는다. 세트 스위프는, 후미부가 점선들로 도시된 루프(712)에 의해 표시된다.The advantage of set sweep will also be appreciated in view of FIG. 7, which shows a diagram of memory cell resistance versus programming current, for a large population of memory cells in a memory device. This device suffers from a relatively wide variation in its population of constituent memory cells. To take all the cells from the set state to the reset state, a conventional square pulse with an I reset magnitude will be applied to each cell. However, conventional programming techniques that apply the same square set pulse (with constant magnitude) may not return all cells in the device to the set state. This means that the current magnitude must be at least I conv. Because it should be as high as. However, at that size, certain cells, i.e., cells corresponding to
도 8로 돌아가서, 장치의 구성 셀들을 프로그램하는데 필요한 전압 및 전류 레벨들을 제공하도록 설계되는 파형 정형 및 구동 회로를 포함하여, 상변화 재료 메모리 장치의 블록도가 도시된다. 장치는, 각 셀(604)이 수직 도전체(614)와 수평 도전체(610)의 고유 쌍에 의해 액세스될 수 있는 메모리 셀(604)의 어레이를 포함한다. 이 실시예에서, 수평 도전체(610)는 타이밍 로직(620)으로부터의 제어 신 호가 각 셀(604)에 제공될 수 있게 하여 고상 스위치를 개폐시킨다. 이러한 고상 스위치는, 다른 단자가 전원 또는 전력 리턴 노드(power return node)에 접속되는 상변화 재료와 직렬이다. 따라서, 스위치가 닫히는 경우 전류는 상변화 재료를 통해 소스(source)되거나 또는 싱크(sink)된다. 이러한 프로그래밍 전류는 수직 도전체(614)를 통해 제공된다. 프로그래밍 전류가 소스되거나(sourcing) 또는 싱크되는 것은, 기입 또는 판독 동작이 수행되는지 여부에 따라 판독 회로(618) 또는 파형 정형 및 구동 회로(608)에 의해 수행된다. 판독 회로(618)는 완전히 종래의 기술일 수 있다.Returning to FIG. 8, a block diagram of a phase change material memory device is shown, including waveform shaping and driving circuitry designed to provide the voltage and current levels needed to program the component cells of the device. The apparatus includes an array of
파형 정형 및 구동 회로(608)는, 상술한 제1 및 제2 펄스들에 따라 셀들(604)을 프로그램하는데 필요한 전압 및 전류 레벨들을 제공하도록 설계되며, 제2 펄스는 전반적으로 삼각형 형상을 가진다. 파형 정형 회로는 적분기/램프 회로, 지수 및 로그 회로 뿐만 아니라 기타의 것들과 같은 종래의 아날로그 파형 정형 회로들을 사용하여 구현될 수 있다. 그 후, 파형 정형된 펄스들은 종래의 팬 아웃(fanout) 회로에 의해 구동되어, 수직 도전체(614)에 접속된 각 셀(604)이 세트 스위프를 달성하기 위한 원하는 레벨의 전류 및 전압을 확실히 수신한다. The waveform shaping and driving
펄스들의 생성와 연관된 타이밍은 타이밍 로직(620)에 의해 결정될 수 있다. 타이밍 로직(620)은, 파형 정형 및 구동 회로(608)와 판독 회로(618)에 디지털 제어 신호들을 제공하여, 후자 회로가 메모리 셀(604)의 저항을 측정하거나(판독 동작) 또는 선택된 메모리 셀(604)에 정확한 타이밍으로 리세트 및 세트 펄스들을 제공한다. 셀(604)에 대한 액세스는, 각 셀이 개별적으로 액세스될 수 있는 랜덤 방 식이거나 또는 메모리 시스템의 보다 높은 레벨의 요구조건에 따라, 로우(row) 단위에 따라 조직화될 수 있다. Timing associated with the generation of the pulses may be determined by timing
도 8에 도시된 메모리 장치는, 종래의 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 로직 제조 프로세스의 다소 수정된 버젼을 포함하여, 넓은 범위의 서로 다른 제조 프로세스들을 사용하여 제조될 수 있다. 셀(604) 어레이와 파형 정형 및 구동 회로(608)는 동일한 집적 회로(IC) 다이에 형성될 수 있고, 그럴경우, 단일 칩 상에 낮은 비용의 시스템 집적화를 이용할 수 있다.The memory device shown in FIG. 8 can be fabricated using a wide range of different fabrication processes, including a somewhat modified version of a conventional complementary metal oxide semiconductor (CMOS) logic fabrication process. The array of
도 9는 상술한 상변화 메모리 프로그래밍 프로세스의 휴대용 애플리케이션(904)의 블록도이다. 상변화 메모리(908)는 상술한 프로그래밍 프로세스의 일 실시예에 따라 동작한다. 상변화 메모리(908)는, 도 1-8의 상술한 프로그래밍 기술들의 다양한 실시예들에 따라 프로그램되는 메모리 어레이를 각 다이가 가지는 하나 이상의 집적 회로 다이들을 포함할 수 있다. 이러한 IC 다이들은, 종래의 DRAM 모듈들과 같은 모듈들 내에 배열되는 개별적인 독립형 메모리 장치들일 수 있거나 또는 다른 온칩 기능과 함께 집적화될 수 있다. 후자의 실시예에서, 상변화 메모리(908)는 I/O 프로세서 또는 마이크로컨트롤러의 일부일 수 있다.9 is a block diagram of a portable application 904 of the phase change memory programming process described above.
애플리케이션(904)은 예를 들면 휴대형 노트북 컴퓨터, 디지털 스틸 및/또는 비디오 카메라, PDA(personal digital assitant), 또는 이동 (셀룰러) 핸드헬드 전화 유닛일 수 있다. 이러한 모든 애플리케이션들에서, 전자 시스템은 코드 및 그 실행을 위한 데이터를 저장하기 위한 프로그램 메모리로서 상변화 메모리(908)를 사용하는 프로세서(910)를 포함한다. 대안적으로, 상변화 메모리(908)는 코드 및 데이터의 불휘발성 저장을 위한 대용량 저장 장치로 사용될 수 있다. 휴대형 애플리케이션(904)은, I/O 인터페이스(914)를 통해 개인용 컴퓨터 또는 컴퓨터들의 네트워크와 같은 다른 장치들과 통신한다. 이러한 I/O 인터페이스(914)는 컴퓨터 주변장치 버스, 고속 디지털 통신 전송선 또는 비도파(unguided) 전송을 위한 안테나에 대한 액세스를 제공한다. 프로세서와 상변화 메모리(908) 간의 통신 및 프로세서와 I/O 인터페이스(914) 간의 통신은 종래의 컴퓨터 버스 아키텍쳐를 사용하여 달성될 수 있다.Application 904 may be, for example, a portable notebook computer, a digital still and / or video camera, a personal digital assitant (PDA), or a mobile (cellular) handheld telephone unit. In all such applications, the electronic system includes a
휴대형 애플리케이션(904)의 상술한 컴포넌트들은 전력 공급 버스(916)를 통해 배터리(918)에 의해 전력공급된다. 애플리케이션(904)은 통상적으로 배터리로 전력 공급되기 때문에, 상변화 메모리(908)를 포함하는 기능적인 컴포넌트들은 저전력 소비 레벨에서 원하는 성능을 제공하도록 설계되어야 한다. 또한, 휴대형 애플리케이션의 제한된 크기로 인해, 상변화 메모리(908)를 포함하는 도 9에 도시된 다양한 컴포넌트는 비교적 고밀도 기능을 제공하여야 한다. 물론, 상변화 메모리(908)에 대한, 도시되지 않은 휴대형이 아닌 다른 애플리케이션들도 존재한다. 이러한 것은, 예를 들면, 큰 네트워크 서버 또는 상변화 메모리와 같은 불휘발성 메모리 장치로부터 이점을 얻을 수 있는 다른 컴퓨팅 장치들을 포함한다.The above-described components of the portable application 904 are powered by the
예로서, 상변화 재료는 Ge2Sb2Te5일 수 있다. 예시적인 펄스는 Ireset의 피크 전류 크기를 가질 수 있는데, Ireset은 어레이의 셀들이 리세트 상태로 프로그램될 수 있도록 충분히 높다. 예시적인 펄스는 약 200nsec 내에 Ireset로부터 제로 전류 로 감소하는 하강 에지를 가질 수도 있다. 그러나, 이러한 특정은 단지 예시적이고 프로그래밍 기술은 넓은 범위의 서로 다른 상변화 재료들 및 비교적 느린 하강 에지를 갖는 펄스 형상들과 함께 작동할 수 있다.By way of example, the phase change material may be Ge 2 Sb 2 Te 5 . An exemplary pulse may have a peak current of the reset I, I reset is high enough in the array cells to be programmed to the reset state. The example pulse may have a falling edge that decreases from I reset to zero current within about 200 nsec. However, this particular is only illustrative and the programming technique can work with a wide range of different phase change materials and pulse shapes with relatively slow falling edges.
요약하면, 세트 스위프로 불리우는, 상변화 재료 메모리 프로그래밍 기술의 다양한 실시예가 기술되었다. 앞선 명세서에서, 본 발명은 특정 예시적인 실시예들을 참조하여 설명되었다. 그러나, 첨부된 청구범위에 제공되는 바와 같이, 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고 다양한 변형 및 수정이 이루어질 수 있음은 명백할 것이다. 예를 들면, 상변화 재료는 칼코겐화물 합금 또는 프로그램가능한 저항기로서 기능하는 다른 적절한 구조적 상변화 재료일 수 있다. 따라서, 명세서 및 도면들은 한정의 의미가 아니라 예시적인 것으로 간주되어야 한다.In summary, various embodiments of phase change material memory programming techniques, called set sweeps, have been described. In the foregoing specification, the invention has been described with reference to specific exemplary embodiments. However, as will be provided in the appended claims, it will be apparent that various modifications and changes may be made without departing from the spirit and scope of the invention. For example, the phase change material may be a chalcogenide alloy or other suitable structural phase change material that functions as a programmable resistor. Accordingly, the specification and drawings are to be regarded in an illustrative rather than a restrictive sense.
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