[發(fā)明專利]用于實現PCRAM設備的自參考讀取操作的方法和裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200980115536.5
• 申請日: 2009-04-23
• 公開（公告）號: CN102016811A
• 公開（公告）日: 2011-04-13
• 發(fā)明（設計）人: M·C·拉莫雷伊;T·M·馬菲特
• 申請（專利權）人: 國際商業(yè)機器公司
• 主分類號: G06F13/00
• 分類號: G06F13/00
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 酆迅

技術領域

本發(fā)明一般地涉及集成電路存儲器設備，并且尤其涉及用于實現相變隨機訪問存儲器(PCRAM)設備的自參考讀取操作的方法和裝置。

背景技術

動態(tài)隨機訪問存儲器(DRAM)集成電路陣列已經存在了若干年，同時，通過半導體制造技術和電路設計技術的進展，其已經實現了存儲容量上的顯著增長。這兩種技術方面的顯著進展還導致了越來越高級別的集成，這允許顯著降低存儲器陣列的大小和成本并且增加成品率。

DRAM存儲器單元通常包括作為基本組件的存取晶體管(開關)和以電荷形式存儲二進制數據位的電容器。通常，第一電壓存儲在該電容器上以表示邏輯“高”或二進制“1”值(例如，V_DD)，而存儲電容器上的第二電壓表示邏輯“低”或二進制“0”值(例如，地)。DRAM設備的基本缺點在于電容器上的電荷最終將漏出，并且因此必須進行供應以“刷新”電容器電荷，否則存儲器單元存儲的數據位將丟失。

另一方面，傳統靜態(tài)隨機訪問存儲器(SRAM)的存儲器單元包括作為基本組件的一個或多個存取晶體管和一個或多個集成電路設備形式的存儲器元件，該一個或多個集成電路設備互連以起雙穩(wěn)鎖存器的功能。此類雙穩(wěn)鎖存器的示例是交叉耦合的反相器對。雙穩(wěn)鎖存器如在DRAM存儲器單元的情況中無需“刷新”，并且只要它們連續(xù)接收供給電壓就將可靠地無限存儲數據位。然而，此類存儲器單元需要較大數量的晶體管，并且因此需要比僅DRAM單元更大量的硅基板面，而且需要汲取比DRAM單元更多的功率。比如DRAM陣列，SRAM陣列也是易失性存儲器形式，其中一旦移除了供電則會丟失數據。

因而，持續(xù)努力以標識能夠存儲數據狀態(tài)、無需大量刷新并且實質上是非易失性的其他類型的存儲器元件。最近的研究已經關注于可以編程以展現高或低穩(wěn)定歐姆狀態(tài)的電阻材料。此類材料的可編程電阻元件可以編程(設置)至高電阻狀態(tài)以存儲例如二進制“1”數據位，或編程至低電阻狀態(tài)以存儲二進制“0”數據位。然后，可以通過檢測讀取電壓的幅度來獲取存儲的數據位，該讀取電壓提供訪問設備通過電阻存儲器元件切換的電流，因此指示其之前已經被編程至的穩(wěn)定電阻狀態(tài)。

相變隨機訪問存儲器(“PCRAM”也稱作“PRAM”)是新興的非易失性存儲器技術，該技術使用具有隨溫度改變的可編程電阻的相變材料(諸如Ge-Sb-Te(GST)合金)來存儲數據。諸如GeSb₄的其他成分(包括其他元素的替換/添加)也可用于相變材料。因此，將獨立相變元件(PCE)用作存儲器設備的存儲單元。獨立PCE的狀態(tài)是通過加熱和冷卻過程來進行編程的，其中加熱和冷卻過程利用電流通過PCE(或PCE附近的分立加熱元件)并導致發(fā)生歐姆加熱來進行電控制。取決于具體應用的溫度和用于PCE元件的加熱持續(xù)時間，將結構“設置”為較低電阻結晶態(tài)或“重置”為非結晶、較高電阻態(tài)。本質上，對于將PCE元件編程以從結晶態(tài)到非結晶態(tài)的次數不存在實際的限制，反之亦然。

PCE的相變通常需要高溫(例如，取決于材料性質，在200℃之上到900℃)，這可以從流過相變材料或分立電阻器的電流通過Joule加熱獲得。當將相變材料加熱至其熔化溫度之上而后快速冷卻時，相變材料成為非結晶態(tài)以存儲數據位“1”。備選地，當將相變材料加熱至其結晶溫度之上并且在冷卻之前在該溫度處維持預定的時間時，相變材料成為結晶態(tài)以存儲數據位“0”。

更具體地，圖1是示出了用作PCE存儲單元的相變材料的示例性熱循環(huán)操作的圖。如圖所示，第一熱循環(huán)操作包括用于將PCE從結晶形式轉換為非結晶形式的“重置(RESET)”脈沖，并且第二熱循環(huán)操作包括用于將PCE從非結晶形式轉換為結晶形式的“設置(SET)”脈沖。在重置脈沖期間，PCM的溫度升高到其熔化溫度(T_m)之上，之后在短時間t₁快速淬火。作為快速淬火的結果，保持了PCM由于熔化而無序的原子排列。因此，在重置脈沖之后PCM保持在非結晶、高電阻狀態(tài)。在“設置”脈沖期間，PCM在相對于熔化溫度而言較低的溫度處、持續(xù)相對于t₁而言較長的時間t₂時退火。該過程使非結晶形式能夠結晶化為較低的電阻狀態(tài)。