專利名稱：包括選擇性刷新操作的電阻式存儲器的制作方法
包括選擇性刷新操作的電阻式存儲器
背景技術(shù)：
一類存儲器是電阻式存儲器。電阻式存儲器利用存儲單元的電 阻<直來存*奢一4立或多4立凄史4居。例如，橫、編考呈為具有高阻<直的存4諸,元
件可以表示邏輯"1"數(shù)據(jù)比特值，以及被編程為具有低電阻值的
存儲元件可以表示邏輯"0"數(shù)據(jù)比特值。典型地，通過將電壓脈
沖或電流3永沖施加到存^f諸元件來電切4奐存4渚元件的電阻l直。
一類電阻式存儲器是相變存儲器。相變存儲器在電阻式存儲元 件中使用相變材料。相變材料呈現(xiàn)至少兩種不同的狀態(tài)。相變材料 的狀態(tài)可以被稱為非晶態(tài)和晶態(tài)，非晶態(tài)涉及更無序的原子結(jié)構(gòu)， 以及晶態(tài)涉及更有序的晶才各。非晶態(tài)通常比晶態(tài)呈現(xiàn)更高的電阻
率。并且， 一些相變材料呈現(xiàn)多晶態(tài)(例如，面心立方晶格(FCC) 狀態(tài)和六方密堆積(HCP)狀態(tài))，其具有不同的電阻率且可以謬皮 用于存^f諸^:據(jù)比特。在以下描述中，非晶態(tài)通常指具有較高電阻率 的狀態(tài)，而晶態(tài)通常指具有4交^^電阻率的狀態(tài)。
可以可逆地引起相變材^1"中的相變。以這種方式，響應(yīng)于溫度 變化，存儲器可以從非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)，以及從晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)。 可以通過驅(qū)動電流穿過相變材料自身或通過驅(qū)動電流穿過臨近相 變材料的電阻加熱器來實(shí)現(xiàn)相變材料的溫度變化。用這兩種方法， 相變材沖+的可控加熱導(dǎo)致相變材并牛中可控的相變。
包括具有由相變材料所制成的多個存儲單元的存儲陣列的相 變存儲器可^皮編程以利用相變材料的存儲狀態(tài)來存4諸數(shù)據(jù)。 一種在
這種相變存儲裝置中讀取和寫入數(shù)據(jù)的方式是控制被施加到相變 材料的電流和/或電壓脈沖。電流和/或電壓的級別通常對應(yīng)于每個 存儲單元中的相變材料內(nèi)所感應(yīng)的溫度。
為了得到較高密度的相變存儲器，相變存儲單元可以存儲多比
相變存儲單元中的多比特存儲，多比特或多級相變存儲單元可以4皮 寫成兩種以上的狀態(tài)。如果相變存^f諸單元^皮編禾呈為三個不同電阻級 別中的一個，則每個單元可以存儲1.5比特的數(shù)據(jù)。如果相變存儲 單元^皮編程為四個不同電阻級別中的 一個，則每個單元可以存〗諸兩 個比特的數(shù)據(jù)，等等諸如此類。為了將相變存儲單元編程為中間電 阻值，通過適當(dāng)?shù)膶懭氩呗?，控制與非晶態(tài)材料共存的晶態(tài)材料的 總量，由此控制單元電阻。為了簡單起見，在此7>開中多級才喿作的 描述基本上集中在四個不同電阻級別或狀態(tài)并且每個單元兩個比 特?cái)?shù)據(jù)。這僅是為了示例性的目的，然而，并不意味著限制本發(fā)明 的范圍。原則上，存儲三個或多個狀態(tài)是可能的。
相變存儲器的數(shù)據(jù)保持性能強(qiáng)烈地取決于存儲器的溫度隨時
間的變化。典型地，對于非易失性存儲器，在操作溫度達(dá)到85°C 的情況下，確保數(shù)據(jù)保持十年以上。數(shù)據(jù)保持主要是材料的特性， 且取決于相變材料的結(jié)晶溫度。例如，對于Ge2Sb2Te5，在操作溫 度達(dá)到105。C至110。C情況下，數(shù)據(jù)保持性能是大約十年。然而， 對于許多應(yīng)用，這個溫度失見范是不夠的。例如，在汽車應(yīng)用中，可 能超出這個溫度規(guī)范。同樣，通常存儲裝置不僅是在恒定的環(huán)境溫 度下被操作，而且要經(jīng)歷環(huán)境溫度中的巨大改變。例如，用于汽車 的發(fā)動機(jī)控制器的存儲裝置基于發(fā)動機(jī)是否運(yùn)轉(zhuǎn)而經(jīng)歷溫度極限。 在這種情況下，存儲裝置的數(shù)據(jù)保持并不受瞬間的溫度(在一定限 度內(nèi))或平均溫度如此強(qiáng)烈地影響，而是4皮由存4諸裝置所增加的溫
度收支所影響。此外，數(shù)據(jù)保持在多比特相變存儲單元中比在單比 特相變存儲單元中更關(guān)鍵。
出于這些和其他原因，存在本發(fā)明的需求。

發(fā)明內(nèi)容
一個實(shí)施例提供了存儲器。存儲器包括相變存儲單元陣列和第 一電路。第一電路是用于響應(yīng)于刷新操作請求，僅刷新相變存儲單 元陣列中的被編程為非晶態(tài)的存儲單元。


附圖被包括以提供對本發(fā)明的進(jìn)一 步理解，并且這些附圖被并 入且構(gòu)成該說明書的一部分。附圖示出了本發(fā)明的實(shí)施例，并且與 描述一起用于解釋本發(fā)明的原理。本發(fā)明的其它實(shí)施例以及本發(fā)明 的許多預(yù)期的優(yōu)點(diǎn)將很容易理解，通過參照以下詳細(xì)描述其變得更 易于理解。附圖中的元件未必彼此按比例繪出。相同的參考標(biāo)號表
示沖目A的才目如乂^M牛。
圖1是示出存儲裝置的一個實(shí)施例的示意圖2是示出處于四種不同狀態(tài)中的多比特或多級相變存儲單元 的一個實(shí)施例的示意圖3是示出置位相變存儲單元的電阻狀態(tài)的 一個實(shí)施例的曲線
圖4是示出兩個不同試驗(yàn)的保持時間相對于溫度的一個實(shí)施例 的圖表；
圖5是示出用于刷新相變存儲單元的方法的 一個實(shí)施例的流程
圖6是示出存儲裝置的另一個實(shí)施例的示意圖7是示出用于刷新相變存儲單元的方法的另 一個實(shí)施例的流 -呈圖；以及
圖8是示出依次復(fù)位多個相變存儲單元的一個實(shí)施例的時序圖。
具體實(shí)施例方式
在以下詳細(xì)描述中，參考構(gòu)成其一部分的附圖，其中，通過示
參考^皮描述的附圖的方向，使用方向術(shù)語，例如"頂部"、"底部"、 "前面"、"后面"、"前端"、"尾端"等。因?yàn)楸景l(fā)明的實(shí)施例的元 件能夠^皮;改置于多個不同的方位，所以出于示例性的目的4吏用方向 術(shù)語但并不夠成對本發(fā)明的限制。應(yīng)當(dāng)理解，在不背離本發(fā)明的范 圍的情況下，可以采用其它實(shí)施例，并且可以進(jìn)4于結(jié)構(gòu)或邏輯上的 改變。因此，以下詳細(xì)描述不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是出于限制的目的，并且 本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求進(jìn)行限定。
圖1是示出存儲裝置lOOa的一個實(shí)施例的示意圖。存儲裝置 100a包括寫入電^各124a、控制器120、存儲陣歹ll 101以及讀出電路 126a。存儲陣列101包括多個相變存儲單元104a-104d (共同地被 稱作相變存儲單元104)、多條位線(BL) 112a-112b (共同地被稱 作位線112)以及多條字線(WL) 110a-110b (共同地被稱作字線 110 )。
周期性地刷新相變存儲單元104以保存它們的值。響應(yīng)于刷新 操作的請求，每個相變存儲單元104的電阻狀態(tài)被讀取。如果相變 存儲單元104處于非晶態(tài)(即，非晶態(tài)或部分非晶態(tài)和部分晶態(tài))， 則將相變存儲單元104復(fù)位到其纟皮編程的電阻狀態(tài)。處于全晶態(tài)的 相變存^f諸單元104不#1刷新，因?yàn)闇囟茸兓?又能不可逆轉(zhuǎn)地進(jìn)一步 降低處于全晶態(tài)的被編程的電阻。被編程電阻的進(jìn)一步降低不是有 害的， 一目反i也，這增強(qiáng)了讀出窗口 ( sensing window )。
復(fù)位操作比置位操作使用較少的能量和較少的時間。例如，在 一個實(shí)施例中， 一個存儲單元104的復(fù)位操作在0.75V下使用600juA 即450pW持續(xù)30ns。 一個存儲單元104的置位l乘作4吏用用于持續(xù) 150ns的復(fù)4立才喿作的功率的50%。因此，用于置4立一個存卡者單元104 的能量等于34pJ,而用于復(fù)位一個存儲單元104的能量等于14pJ。 通過僅刷新未處于全晶態(tài)的存儲單元104，消耗較少的能量，并且 以比如果所有存儲單元104都被刷新所需時間少的時間完成刷新操 作。
如這里用到的，術(shù)語"電連4妄"并不意p未著元件必須,皮直4妾地 連4妄在一起，并且可以在"電連4妄"的元4牛之間i殳置插入it/f牛。
經(jīng)由信號通道125將存儲陣列101電連接至寫入電路124a、經(jīng) 由信號通道121電連接至控制器120,以及經(jīng)由信號通道127電連 4妾至讀出電i 各126a。經(jīng)由信號通道128將控制器120電連4妄至寫入 電^各124a，以及經(jīng)由孑言號通道130電連4妄至讀出電路126a。將每 個相變存儲單元104電連接至字線110、位線112以及7>共端或地 114。將相變存儲單元104a電連接至位線112a、字線110a以及7> 共端或地114,以及將相變存儲單元104b電連4妄至位線112a、字 線110b以及7>共端或地114。將相變存4諸單元104c電連4妄至位線 112b、字線110a以及^>共端或地114，以及將相變存儲單元104d 電連4妄至4立線112b、字線110b以及/>共端或;也114。
每個相變存4諸單元104包括相變元件106和晶體管108。雖然 在示出的實(shí)施例中，晶體管108是場效應(yīng)晶體管(FET),在其它實(shí) 施例中，晶體管108可以是另外的合適的器件(例如，雙極晶體管 或3D晶體管結(jié)構(gòu))。在其它實(shí)施例中，類似二才及管的結(jié)構(gòu)可以;故用 于取代晶體管108。相變存儲單元104a包括相變元件106a和晶體 管108a。將相變元件106a的一側(cè)電連接至位線112a,且將相變元 件106a的另一側(cè)電連接至晶體管108a的源漏通道的一側(cè)。將晶體 管108a的源漏通道的另一側(cè)電連4妄至^^共端或地114。將晶體管 108a的4冊4及電連4妾至字線110a。
相變存儲單元104b包括相變元件106b和晶體管108b。將相 變元件106b的一側(cè)電連接至位線112a，且將相變元件106b的另一 側(cè)電連4妾至晶體管108b的源漏通道的一側(cè)。將晶體管108b的源漏 通道的另一側(cè)電連接至公共端或地114。將晶體管108b的柵極電連 4妄至字線110b。
相變存儲單元104c包括相變元件106c和晶體管108c。將相變 元件106c的一側(cè)電連4妄至4立線112b,且將相變元件106c的另一側(cè) 電連4妾至晶體管108c的源漏通道的一側(cè)。將晶體管108c的源漏通 道的另一側(cè)電連接至公共端或地114。將晶體管108c的柵極電連接 至字線110a。
相變存儲單元104d包括相變元件106d和晶體管108d。將相 變元件106d的一側(cè)電連沖妄至位線112b,且將相變元件106d的另一 側(cè)電連接至晶體管108d的源漏通道的一側(cè)。將晶體管108d的源漏 通道的另一側(cè)電連4妄至7>共端或;也114。將晶體管108d的柵4及電連 4妾至字線110b。
在另一個實(shí)施例中，將每個相變元件106都電連4妄至7>共端或 地114,以及將每個晶體管108都電連接至位線112。例如，對于相
變存儲單元106a，將相變元件106a的一側(cè)電連接至7>共端或地 114。將相變元件106a的另一側(cè)電連接至晶體管108a的源漏通道 的一側(cè)。爿夸晶體管108a的源漏通道的另一側(cè)電連4妄至4立線112a。
才艮據(jù)本發(fā)明，每個相變元件106都包括可由多種材泮牛制成的相 變材料。通常，作為這種材料，包含來自周期表第VI族的一個或 多個元素的石克族化物合金(chalcogenide alloy)是有用的。在一個 實(shí)施例中，相變元件106的相變材料是由^ii族化物的化合物材料(例 如，GeSbTe、 SbTe、 GeTe或AglnSbTe)所制成。在另一個實(shí)施例 中，相變材料是無硫族元素，例如，GeSb、 GaSb、 InSb或GeGaInSb。 在其它實(shí)施例中，相變材料是由包括Ge、 Sb、 Te、 Ga、 As、 In、 Se和S中一個或多個元素的任意合適的材料所制成的。
在溫度變化的影響下，每個相變元件106可以從非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?晶態(tài)或乂人晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)。因此，在相變元件106a-106d中的一 個相變元件的相變材料中，與非晶態(tài)材料共存的晶態(tài)材料的數(shù)量確 定了用于在存儲裝置100a中存儲數(shù)據(jù)的兩個或多個狀態(tài)。在非晶 態(tài)下，相變材^l"比晶態(tài)下呈現(xiàn)明顯較高的電阻率。因此，相變元件 106a-106d的兩個或多個狀態(tài)的電阻率不同。在一個實(shí)施例中，兩 個或多個狀態(tài)是兩個狀態(tài)，且使用二進(jìn)制系統(tǒng)，其中，這兩個狀態(tài) 4皮貝武值為比特值"0"和"1"。在另一個實(shí)施例中，兩個或多個狀 態(tài)可以是三個狀態(tài)，且可以使用三進(jìn)制系統(tǒng)，其中，這三個狀態(tài)被 賦值為比特值"0"、 "1"和"2"。在另一個實(shí)施例中，兩個或多個 狀態(tài)是四個狀態(tài)，其可以#1分配多個比特值，例如，"00"、 "01"、
"10"以及"11"。在其它實(shí)施例中，兩個或多個狀態(tài)可以是相變 元件的相變材料中的任何適當(dāng)數(shù)量的狀態(tài)。
控制器120包括微處理器、微控制器或其它用于控制存儲電路 100a的操作的適當(dāng)?shù)倪壿嬰娐贰？刂破?20控制包括經(jīng)由寫入電路 124a和讀出電路126a將控制和數(shù)據(jù)信號施加到存儲陣列101的存儲電路100a的讀耳又和寫入才喿作。在一個實(shí)施例中，寫入電^各124a 經(jīng)由信號通道125和位線112將電壓脈沖提供給存儲單元104以對 存儲單元編程。在其它實(shí)施例中，寫入電路124a經(jīng)由信號通道125 和位線112將電流脈沖提供給存儲單元104以對存儲單元編程。
讀出電路126a經(jīng)由位線112和信號通道127讀取存4諸單元104 的兩個或多個狀態(tài)中的每一個狀態(tài)。在一個實(shí)施例中，為了讀取存 儲單元104之一的電阻，讀出電路126a提供流過存《諸單元104之 一的電流。然后，讀出電^各126a讀取該存4諸單元104之一的兩端 的電壓。在一個實(shí)施例中，讀出電路126a提供存儲單元104之一 的兩端的電壓，且讀取流過該存^f諸單元104之一的電流。在一個實(shí) 施例中，寫入電路124a提供跨越存儲單元104之一的電壓，且讀 出電i 各126a讀取流過該存4諸單元104之一的電流。在一個實(shí)施例 中，寫入電路124a才是供流過存4諸單元104之一的電流，且讀出電 ^各126a讀取該存4諸單元104之一的兩端的電壓。
在相變存4諸單元104a的置^f立才喿作期間，通過寫入電^各124a, 一個或多個置位電流或電壓月永沖^皮選擇性地^f吏能，且經(jīng)由位線112a 4皮發(fā)送至相變元件106a,因此，用一皮選擇以激活晶體管108a的字 線110a將相變元件106a加熱至高于其結(jié)晶溫度(但通常低于其熔 化溫度)。以這種方式，在這個置位才喿作期間，相變元件106a達(dá)到 其晶態(tài)或部分晶態(tài)和部分非晶態(tài)。在相變存儲單元104a的復(fù)位操 作期間，通過寫入電路124a,復(fù)位電流或電壓力永沖凈皮選4奪性地/f吏能， 且經(jīng)由位線112a被發(fā)送至相變元件106a。復(fù)位電流或電壓快速i也 加熱相變元件106a至高于其熔化溫度。在電流或電壓脈沖被關(guān)閉 后，相變元件106a快速地淬火冷卻至非晶態(tài)或部分非晶態(tài)和部分 晶態(tài)。類似于相變存儲單元104a, 4吏用類似的電流或電壓脈沖，置 位和復(fù)位相變存儲單元104b-104d和存儲陣列100a中的其它相變 存儲單元104。
圖2是示出處于四種不同習(xí)犬態(tài)200a、 200b、 200c和200d的多
比特或多級相變元^f牛106的一個實(shí)施例的示意圖。相變it/f牛106包 括由絕》彖材并牛206側(cè)向包圍的相變材并+ 204 。相變元件106可以具
幾何結(jié)構(gòu)的絕纟彖材并+ 206的任何合適的幾何結(jié)構(gòu)。
相變材料204在一端電連接至第一電極208，且在另一端，電 連4矣至第二電才及210。經(jīng)由第一電才及208和第二電才及210將月永沖才是 供給相變元件106。通過相變材坤+ 204的電流通道是/人第 一 電4及208 和第二電極210中的一個至第一電極208和第二電極210中的另一 個。相變元件106提供用于存儲數(shù)據(jù)比特的存儲位置。
絕緣材料206可以是任何合適的絕緣體，例如，Si02、 SiOx、 SiN、氟4b的石英^皮璃(FSG)或硼石粦石圭酸鹽3皮璃(BPSG)。第一電 才及208和第二電才及210可以是4壬4可合適的電才及材津牛，例如，TiN 、 TiSiN、 TiAlN、 TaN、 TaSiN、 TaAlN、 W、 WN、 Al或Cu。
將相變材料204編程為四種電阻狀態(tài)中的一種以存儲兩比特?cái)?shù) 據(jù)。將寫入電3各(例如，寫入電3各124a)電連才妄至第一電才及208以 將脈沖提供給相變材料204。脈沖將相變材料204復(fù)位或?qū)⑵渌?種電阻狀態(tài)中的一種編程到相變材料204中。在200b中，通過相 變，相變材#+ 204的小部分212已經(jīng):被編程為晶態(tài)以改變相變元件 106的電阻。在200c中，通過相變，相變材泮牛204的中等大小部分 214已經(jīng)凈皮編禾呈為晶態(tài)以改變相變元件106的電阻。在200d中，大 部分216,其基本上是所有的相變材料204,通過相變，已經(jīng)被編 禾呈為晶態(tài)以改變相變元〗牛106的電阻。
被編程的部分的大小與相變材料204和相變元件106的電阻有 關(guān)。200b-200d的三個不同的相變部分加上200a的初始狀態(tài)提供了 相變材料204中的四種電阻狀態(tài)，且相變元件106提供用于存儲兩
比特凄t據(jù)的存4諸位置。在一個實(shí)施例中，200a的相變元件106的狀 態(tài)是"00"， 200b的相變元件106的狀態(tài)是"01", 200c的相變元 件106的狀態(tài)是"10",以及200d的相變元件106的狀態(tài)是"11"。 在另一個實(shí)施例中，200a的相變元件106的狀態(tài)是"11"， 200b的 相變元件106的狀態(tài)是"10", 200c的相變元件106的狀態(tài)是"01", 以及200d的相變元件106的狀態(tài)是"00"。
在200a,將相變材并+204復(fù)位至基本上的非晶態(tài)。在相變元件 106的復(fù)位才喿作期間，經(jīng)由寫入電^各124a提供復(fù)^f立電流力永沖通過第 一電才及208和相變材泮牛204。復(fù)位電流月永沖力口熱相變材料204至高 于其熔化溫度，且相變材料204被快速地冷卻以在200a實(shí)現(xiàn)基本 上的非晶態(tài)。在復(fù)位操作之后，相變材料204包括218和220處的 晶態(tài)相變材料和222處的非晶態(tài)相變材料。200a處的基本上的非晶 態(tài)，在這里^皮稱作為非晶態(tài)之一，是相變元件106的高阻狀態(tài)。
為了將相變材料204編程為其它三種狀態(tài)200b-200d中的一 種，經(jīng)由寫入電路124a提供置位電流通過第一電極208和相變材 料204。在200b處，寫入電3各124a才是供置位電流脈沖以將'J、體積 部分212編程為晶態(tài)。晶態(tài)比非晶態(tài)具有4交小的阻抗，且200b處 的相變元件106比200a處的基本上非晶態(tài)的相變元件106具有較 低的電阻。200b處的部分晶態(tài)和部分非晶態(tài)，在這里^皮稱作為非晶 態(tài)之一，是相變元件106的次高阻狀態(tài)。
在200c處，寫入電路124a提供置位電流脈沖以將中等體積部 分214編程為晶態(tài)。因?yàn)榫B(tài)部分214比晶態(tài)部分212大，且晶態(tài) 比非晶態(tài)具有較小的阻抗，所以200c處的相變元件106比200b處 的相變元件106和200a處的非晶態(tài)相變元件106具有較低的電阻。 200c處的部分晶態(tài)和部分非晶態(tài)，這里被稱為非晶態(tài)之一，是相變 元件106的次最^f氐電阻狀態(tài)。
在200d,寫入電路124a提供置位電流脈沖以將基本上所有的 相變材料216編程為晶態(tài)。因?yàn)榫B(tài)比非晶態(tài)具有較小的阻抗，所 以200d處的才目變元寸牛106具有比200c處的才目變元4牛106、 200b處 的相變元件106、以及200a處的非晶態(tài)的相變元件106更低的電阻。 200d處的基本上的晶態(tài)是相變元件106的最低電阻狀態(tài)。在其它實(shí) 施例中，相變元件106可以被編程為任何適當(dāng)數(shù)量的電阻值或狀態(tài)。 在其它實(shí)施例中，相變元件106可以被置位到基本上的晶態(tài)，且復(fù) 4立月永沖可以#:用于^)尋相變元〗牛106編禾呈為所需的電阻i"直或a犬態(tài)。
圖3是示出置位相變元件106的電阻狀態(tài)的 一個實(shí)施例的曲線 圖250。曲線圖250包括在x軸254上的被施加到相變元件的以安 培(A )為單位的電流相對于在施加指定電流之后在y軸252上的 相變元件的以歐姆為單位的電阻。如256所表示的，從完全復(fù)位的 相變元件開始，在大約OA和0.3 x 1(T3A之間的電流不改變?nèi)珡?fù)^f立 狀態(tài)的相變元件的電阻狀態(tài)。在大約0.3 x 10—3A和0.5 x 1(T3A之間 的電流爿夸相變元件的電阻爿犬態(tài)改變至如260所表示的部分置^M犬 態(tài)。在大約0.5 x 1(T3A和1.4 x 1(T3A之間的電流將相變元件的電阻 狀態(tài)改變至如258所表示的全置位狀態(tài)。在大約1.4xlO^A和1.6 x 10—3A之間的電流將相變元件的電阻狀態(tài)改變至如262所表示的部 分復(fù)位狀態(tài)。比大約1.6x 1(T3A大的電流將相變元件的電阻狀態(tài)變 回至如256所表示的全復(fù)位狀態(tài)。為獲得部分置位、全置位、部分 復(fù)位以及全復(fù)位狀態(tài)的具體電流的范圍基于所使用的相變材料、所
從如256所表示的全復(fù)位狀態(tài)開始，通過控制電流將相變元件 106編禾呈為四種電阻狀態(tài)中的一個。如果沒有施力口電流，貝'J相變元 件保持在全復(fù)位狀態(tài)。如果施加了小電流脈沖，則相變元件被編程 至如264所表示的第一狀態(tài)。這個狀態(tài)在圖2中的200a處被示出。 在一個實(shí)施例中，這個狀態(tài)是"11"狀態(tài)。如果施加了4交高的電流 脈沖，相變元件被編程為如266所表示的第二狀態(tài)。這個狀態(tài)在圖 2中的200b處被示出。在一個實(shí)施例中，這個狀態(tài)是"10"狀態(tài)。 如果施加了超過第二狀態(tài)的較高的電流，相變元件被編程為如268 所表示的第三狀態(tài)。這個狀態(tài)在圖2中200c處4皮示出。在一個實(shí) 施例中，這個狀態(tài)是"01"狀態(tài)。如果施加了超過第三狀態(tài)的較高 的電流，相變元件^皮編程為如270所表示的全置位狀態(tài)。這個狀態(tài) 在圖2中200d處凈皮示出。在一個實(shí)施例中，這個狀態(tài)是"00"狀 態(tài)。
從如258所表示的全置位狀態(tài)開始，還可以通過控制電流將相 變元件編程為四種電阻狀態(tài)中的一種。例如，如果施加了第一電流， 則相變元件被編程為如272所表示的第一狀態(tài)。在一個實(shí)施例中， 這個狀態(tài)是"00"狀態(tài)。如果施加了超過第一狀態(tài)的較高的電流， 則相變元件#1編程為如274所表示的第二狀態(tài)。在一個實(shí)施例中， 這個狀態(tài)是"01"狀態(tài)。如果施加了超過第二狀態(tài)的較高的電流， 則相變元件纟皮編程為如276所表示的第三狀態(tài)。在一個實(shí)施例中， 這個狀態(tài)是"10"狀態(tài)。如果施加了超過第三狀態(tài)的較高的電流， 則相變元件被編程為如278所表示的全復(fù)位狀態(tài)。在一個實(shí)施例中， 這個狀態(tài)是"11"狀態(tài)。
圖4是示出兩個不同試驗(yàn)的保持時間相對溫度的一個實(shí)施例的 圖表280。圖表280包括在x軸284上的以開氏溫標(biāo)(K)為單位 和在x軸286上以1/kT ( eV")的為單位的溫度(T ),以及在Y軸 282上以秒(s)為單位的4呆持時間(tret)。線288a示出了第一試-瞼 中的單比特存儲單元的保持時間相對溫度的關(guān)系，以及線288b示 出了第二試驗(yàn)中的單比特存儲單元的保持時間相對溫度的關(guān)系。對 于單比特相變存儲單元，數(shù)據(jù)保持時間是關(guān)鍵的，且對于多比特相
變存4諸單元來il，問題更突出。
如圖表280中所示出的，在298處表示，在105。C下，數(shù)據(jù)保 持在存儲裝置100a中10年的規(guī)范。如果存儲裝置100a的相變元 件106如296所表示的每年刷新一次，可以在接近120。C (393 K) 的溫度下操作存儲裝置lOOa。如果存儲裝置100a的相變元件106 如294所表示的每月刷新一次，則可以在接近130°C (403 K)的溫度 下才乘作存儲裝置100a。如果存儲裝置100a的相變元件106如292 所表示的每天刷新一次，則可以在接近150。C (423 K)的溫度下操作 存^f諸裝置100a。如果存4諸裝置100a的相變元件106如290所表示 的每小時刷新一次，則可以在4妾近170。C (443 K)的溫.度下才喿作存^f諸 裝置100a。當(dāng)縮短刷新周期時，可以增加存^f諸裝置100a能夠經(jīng)受 的溫度。
圖5是示出用于刷新相變存儲單元104 (例如，存儲裝置100a 中的相變存儲單元104)的方法300的一個實(shí)施例的流程圖。在302 中，控制器120接收或發(fā)出刷新才喿作請求。在304中，通過激活字 線以導(dǎo)通所選存儲單元104的晶體管108，來選4奪字線110上或存 儲單元塊104中的第 一存儲單元104。在306中，讀出電路126a讀 取所選存儲單元104的電阻狀態(tài)。在308中，讀出電i 各126a和/或 控制器120確定所選存儲單元104是處于晶態(tài)還是非晶態(tài)。如果所 選存儲單元104處于晶態(tài)，那么，在310中，對于所選存儲單元104 不執(zhí)行進(jìn)一步操作。如果所選存儲單元104處于非晶態(tài)，那么在312 中，寫入電路124a通過將所選存儲單元104復(fù)位至其所編程的電 阻狀態(tài)，來刷新所選存4諸單元。
在314中，控制器120確定字線110上或存儲單元塊104中的 所有存儲單元104是否已經(jīng)進(jìn)行了潛在刷新檢查。如果字線110上 或存儲單元塊104中的所有存儲單元104都沒有進(jìn)行過潛在刷新檢 查，則選擇字線110上或存儲單元塊104中的下一個存儲單元104。 隨著下一個存儲單元104被選4奪，控制返回到方框306，在此讀出電^各126a讀耳又所選存儲單元104的電阻狀態(tài)并且重復(fù)這個過程。 如果字線110上或存^f諸單元塊104中的所有存l諸單元104都已經(jīng)進(jìn) 行了潛在刷新檢查，那么，在318中，完成對當(dāng)前字線110或存儲 單元104的當(dāng)前塊的刷新才喿作。然后，重復(fù)方法300的方才醫(yī)304-318 以檢查下一條字線110或存儲單元104的下一塊，直到存儲陣列101 中的每個存儲單元104已經(jīng)進(jìn)行過潛在刷新沖企查。
圖6是示出存4諸裝置100b的另一個實(shí)施例的示意圖。存4渚裝 置100b類似于前面描述的且參考圖1所示出的存儲裝置100a，除 了在存儲裝置100b中，用寫入電路124b取代寫入電路124a,且用 讀出電i 各126b耳又代讀出電^各126a。讀出電^各126b包括多個讀出》丈 大器(SA) 132a-132b (共同地被稱為讀出放大器132)和多個緩 沖器136a-136b (共同地被稱為緩沖器136)。存儲裝置100b使能 對于字線110上的所有存4諸單元的并4于刷新:操作。
經(jīng)由信號通道125將寫入電^各124b電連4妄至位線112。經(jīng)由信 號通道125a將寫入電路124b電連接至位線112a，以及經(jīng)由信號通 道125b將寫入電3各124b電連4妄至位線112b。經(jīng)由信號通道127 將讀出方欠大器132的l俞入端電連4妄至位線112。經(jīng)由信號通道127a 將讀出放大器132a的輸入端電連接至位線112a,以及經(jīng)由信號通 道127b將讀出》文大器132b的輸入端電連4妄至位線112b。
經(jīng)由信號通道134將讀出放大器132的輸出端電連接至緩沖器 136的車lr入端。經(jīng)由4言號通道134a將讀出方文大器132a的lt出端電 連接至緩沖器136a的輸入端，以及經(jīng)由信號通道134b將讀出放大 器132b的輸出端電連接至緩沖器136b的輸入端。經(jīng)由信號通道138 將緩沖器136的輸出端電連接至寫入電路124b的輸入端。經(jīng)由信 號通道138a將緩沖器136a的輸出端電連接至寫入電路124b的輸 入端，以及經(jīng)由信號通道138b將緩沖器136b的輸出端電連接至寫 入電^各124b的llr入端。
讀出方文大器132a經(jīng)由位線112a和信號通道127a讀取所選存 儲單元104a-104b的兩個或多個狀態(tài)中的每一個。在刷新操作期間， 緩沖器136a臨時地存4諸由讀出》文大器132a所傳遞的所選存+者單元 104a-104b的狀態(tài)。響應(yīng)于非晶態(tài)的所選存儲單元104a-104b的狀 態(tài)，緩沖器136a將寫使能信號傳遞給寫入電路124b。響應(yīng)于寫使 能信號，寫入電路124b經(jīng)由信號通道125a和位線112a將所選存 儲單元104a-104b再編程為其所編程的電阻狀態(tài)。
讀出方文大器132b經(jīng)由位線112b和信號通道127b讀取所選存 儲單元104c-104d的兩個或多個狀態(tài)中的每一個。在刷新操作期間， 緩沖器136b臨時地存儲由讀出放大器132b所傳遞的所選存儲單元 104c-104d的狀態(tài)。響應(yīng)于非晶態(tài)的所選存々者單元104c-104d的狀 態(tài)，緩沖器136b將寫使能信號傳遞給寫入電路124b。響應(yīng)于寫使 能信號，寫入電路124b經(jīng)由信號通道125b和位線112b將所選存 儲單元104c-104d再編程為其所編程的電阻狀態(tài)。
圖7是示出用于刷新相變存儲單元104 (例如，存儲裝置100b 中的相變存儲單元104)的方法400的另一個實(shí)施例的流程圖。在 402中，控制器120接收或發(fā)出刷新才喿作的請求。在404中，激活 字線110以讀取字線110上的存^f諸單元104的電阻狀態(tài)。在406中， 讀出放大器132讀取字線110上的所有存儲單元104的狀態(tài)，且將 狀態(tài)傳遞至緩沖器136。
在408中，如果存儲在緩沖器136中的狀態(tài)是非晶態(tài)，則在410 中，緩沖器136激活用于該位線112的寫使能信號。如果存儲在緩 沖器136中的狀態(tài)是晶態(tài)，則在412中，緩沖器136將用于該位線 112的寫使能信號保持為去激活。在414中，寫入電路124b基于寫 使能信號施加位線脈沖以僅復(fù)位處于非晶態(tài)的存儲單元104。在一 個實(shí)施例中，每次老卩以l美(subgroup )(例如， 一次兩條、三條、四 條或其它適當(dāng)數(shù)量的位線112)的方式提供位線脈沖。在416中，
完成對當(dāng)前字線的刷新才喿作。重復(fù)方法400的方框404-416以檢查 下一個字線110上的存儲單元104的電阻狀態(tài)，直到存儲陣列101 中的每個存儲單元104都已經(jīng)進(jìn)行過潛在刷新沖企查。
圖8是示出在刷新才乘作期間依次復(fù)位多個相變存儲單元104的 一個實(shí)施例的時序圖500。時序圖500包括字線110上的字線(WL) 信號502、第一位線112上的第一位線(BL1 )信號504、第二位線 112上的第二位線(BL2)信號506、第三位線112上的第三位線 (BL3 )信號508以及第四位線112上的第四位線(BL4)信號510。
對于存儲單元104的典型的置位和復(fù)位操作，如512處所表示 的，激活字線信號502。在514處表示出，存儲單元104的典型置 位操作時間，限制了存儲單元104的寫入周期時間。在典型的寫入 周期時間內(nèi)，復(fù)位脈沖516、 518、 520、 522和^皮施加到其他位線 112的其他復(fù)位脈沖相對于彼此具有時移。通過移動復(fù)位脈沖，使
得它們不重疊，避免了刷新#:作期間電流消一毛的增加。此外，通過
在典型的寫入周期時間內(nèi)連續(xù)地施加多個復(fù)位脈沖而不是僅一個 復(fù)位脈沖，在刷新操作期間節(jié)省了時間。
本發(fā)明的實(shí)施例提供了包括刷新操作的相變存儲器。刷新操作 僅刷新處于非晶態(tài)的存儲單元。通過不刷新處于晶態(tài)的不呈現(xiàn)數(shù)據(jù) 保持時間問題的存儲單元，在刷新操作期間，時間和能量都^皮節(jié)省 了。
雖然在此描述的具體實(shí)施例基本上集中在使用相變存儲單元， 但是本發(fā)明可以被應(yīng)用到任何適當(dāng)類型的電阻式存儲單元。
盡管在此已經(jīng)示出且描述了具體的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通4支術(shù)人 員將意識到，在不背離本發(fā)明范圍的情況下，大量的替換和/或等同 的實(shí)施方式可以替換所示出和描述的具體實(shí)施例。該申請旨在覆蓋 在此論述的具體實(shí)施例的任何修改或變化。因此，本發(fā)明僅由權(quán)利 要求和其等同所限制。
權(quán)利要求
1.一種存儲器，包括相變存儲單元陣列；以及第一電路，用于響應(yīng)于刷新操作請求來僅刷新所述相變存儲單元陣列中的被編程為非晶態(tài)的存儲單元。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲器，還包括第二電路，用于在刷新操作期間讀取所述相變存儲單元 陣列中的每個存儲單元以確定每個存儲單元是否被編程為非 晶態(tài)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲器，其中，所述第一電路通過在置 位操作時間內(nèi)連續(xù)地復(fù)位至少兩個存儲單元來刷新所述相變 存卡者單元陣列中的所述至少兩個存儲單元。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲器，其中，所述第一電路通過如下 步驟刷新所述存儲單元激活字線以讀取所述字線上的每個存儲單元的狀態(tài)；讀耳又所述字線上的每個存儲單元的所述狀態(tài)，且臨時存 儲每個存儲單元的所述狀態(tài)；響應(yīng)于包括非晶態(tài)的每個臨時存儲的狀態(tài)來提供寫使能 信號；以及響應(yīng)于每個寫使能信號來刷新存儲單元。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲器，其中，所述相變存儲單元陣列 包括單比特相變存儲單元陣列。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲器，其中，所述相變存儲單元陣列 包括多比特相變存儲單元陣列。
7. —種存儲器，包括電阻式存儲單元陣列；讀出電^各，^皮配置為用于讀出所述電阻式存々者單元陣列 中的每個存儲單元的狀態(tài)；寫入電3各，；陂配置為用于編程所述電阻式存4諸單元陣列 中的每個存1'諸單元；以及控制器，被配置為用于控制刷新操作，其中，所述讀出 電^各讀出每個存^f諸單元的所述狀態(tài)，以及所述寫入電鴻"f又刷新 #皮讀出為處于比最低電阻狀態(tài)高的電阻狀態(tài)的每個存^f諸單元 的所述狀態(tài)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的存儲器，其中，所述讀出電路包括用于 在刷新4喿作期間臨時存儲每個存儲單元的所述讀出狀態(tài)的緩 沖器，所述緩沖器將指示哪些存儲單元處于比所述最低電阻狀 態(tài)高的電阻狀態(tài)的信號提供給所述寫入電路。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的存儲器，其中，所述電阻式存儲單元陣 列包括字線，以及所述刷新操作并行地刷新一條字線上的所有 存儲單元。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的存儲器，其中，所述寫入電路通過在置 位才喿作時間內(nèi)連續(xù)地復(fù)位至少兩個存4諸單元來刷新所述至少 兩個存〗渚單元。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的存儲器，其中，所述電阻式存儲單元陣 列包括單比特電阻式存儲單元陣列。
12. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的存儲器，其中，所述電阻式存儲單元陣 列包括多級電阻式存儲單元陣列。
13. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的存儲器，其中，所述電阻式存儲單元陣 列包括相變存儲單元陣列。
14. 一種存儲器，包括相變存儲單元陣列；以及用于響應(yīng)于刷新操作請求來僅刷新處于非晶態(tài)的存儲單 元的裝置。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的存儲器，其中，所述用于僅刷新處于 非晶態(tài)的存儲單元的裝置包括用于并4亍地刷新至少兩個存儲-單元的裝置。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的存儲器，其中，所述用于刷新僅處于非晶態(tài)的存儲單元的裝置包括在置位操作時間內(nèi)連續(xù)地復(fù)位 至少兩個存^f諸單元。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的存儲器，其中，所述相變存儲單元陣 列包括單比特相變存儲單元陣列。
18. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的存儲器，其中，所述相變存儲單元陣 列包括多比特相變存儲單元陣列。
19. 一種用于刷新存儲器的方法，所述方法包括讀取相變存儲單元陣列中的第 一存儲單元的第 一狀態(tài)； 確定所述第一狀態(tài)是否是非晶態(tài)；以及響應(yīng)于確定所述第一狀態(tài)是非晶態(tài)來刷新所述第一存儲 單元的所述狀態(tài)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包括讀取所述相變存儲單元陣列中的第二存儲單元的第二狀態(tài)；確定所述第二狀態(tài)是否是非晶態(tài)；以及響應(yīng)于確定所述第二狀態(tài)是非晶態(tài)來刷新所述第二存儲 單元的所述狀態(tài)。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，與刷新所述第一存儲單 元的所述狀態(tài)并行地才丸行刷新所述第二存^f諸單元的所述狀態(tài)。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，在置位操作時間內(nèi)連續(xù) 地執(zhí)行刷新所述第二存儲單元的所述狀態(tài)和刷新所述第 一存 ^諸單元的所述狀態(tài)。
23. 才艮據(jù)4又利要求19所述的方法，其中，讀取所述第一存4諸單元 的所述第一狀態(tài)包括讀取單比特相變存儲單元陣列中的所述 第 一存儲單元的所述第 一狀態(tài)。
24. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，讀取所述第一存儲單元 的所述第一狀態(tài)包括讀取多比特相變存儲單元陣列中的所述 第 一存儲單元的所述第 一狀態(tài)。
25. —種用于刷新存4諸單元的方法，所述方法包括激活相變存+者單元陣列中的字線； 將所述字線上的每個存儲單元的狀態(tài)讀取至緩沖器中； 激活來自存儲非晶態(tài)的每個緩沖器的寫使能信號；以及 對應(yīng)于激活的寫使能信號，刷新所述字線上的存儲單元。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，刷新存儲單元包括對應(yīng) 于激活的寫使能信號，復(fù)位所述字線上的存儲單元。
27. 才艮據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，激活所述相變存儲單元 陣列中的所述字線包括激活單比特相變存儲單元陣列中的所 述字線。
28. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，激活所述相變存儲單元 陣列中的所述字線包括激活多級相變存儲單元陣列中的所述 字線。
全文摘要
一種存儲器包括相變存儲單元陣列和第一電路。該第一電路是用于響應(yīng)于刷新操作請求來刷新相變存儲單元陣列中的僅被編程為非晶態(tài)的存儲單元。
文檔編號G11C11/56GK101188139SQ200710166498
公開日2008年5月28日 申請日期2007年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月21日
發(fā)明者托馬斯·哈普, 揚(yáng)·鮑里斯·菲利普 申請人:奇夢達(dá)北美公司