[发明专利]非易失性存储设备

说明书

本案是申请日为2007年9月4日、申请号为200710149020.5、发明名称为“非易失性存储设备和相关操作方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明的实施例通常涉及非易失性存储设备和相关操作方法。更具体地来说，本发明的实施例涉及非易失性存储设备和相关编程方法。

背景技术

多种非易失性存储设备采用电阻材料来存储数据。例如，相变随机存取存储器(PRAM)、电阻RAM(RRAM)、电铁体RAM(FRAM)、和磁性RAM(MRAM)者采用电阻材料来存储数据。与通过使用电荷来存储数据的、诸如动态随机存取存储器(DRAM)和闪存等的其它形式的存储器相反，使用电阻材料的设备趋向于通过物理改变电阻材料来存储数据。例如，PRAM通常使用诸如硫属化物合金(chalcognide alloy)等的相变材料的不同状态来存储数据，RRAM通常采用可变电阻材料的不同电阻值来存储数据，FRAM通常采用铁电体材料的极化现象来存储数据，而MRAM通常响应铁电体材料的磁化状态，使用磁隧道结(MTJ)薄膜的电阻变化来存储数据。

为了说明一种可以将电阻材料用于存储数据的方法，现在将更具体地描述示例性的PRAM。PRAM中的相变材料，通常为硫属化物，能够在非晶相与晶相之间稳定地转变。非晶相和晶相(或态)呈现不同电阻值，所述不同电阻值用于区别存储设备中的存储单元的不同逻辑状态。具体来说，非晶相呈现较高电阻，而晶相呈现较低电阻。

PRAM使用非晶态来表示逻辑“1”(或数据“1”)，而使用晶态来表示逻辑“0”(或数据“0”)。在PRAM设备中，晶态称为“置位状态”，而非晶态称为“复位状态”。因此，PRAM中的存储单元通过将存储单元中的相变材料设定为晶态来存储逻辑“0”，而存储单元通过将相变材料设定为非晶态来存储逻辑“1”。例如，在美国专利号6,487,113和6,480,438中公开了各种PRAM设备。

通过将相变材料加热到高于预定熔化温度的第一温度，然后快速冷却该材料，PRAM中的相变材料被转换到非晶态。通过在低于熔化温度而高于结晶温度的第二温度将相变材料持续加热一段时间，相变材料被转换到晶态。因此，通过如上所述的加热和冷却，在非晶态与晶态之间转换PRAM的存储单元中的相变材料，从而将数据编程到PRAM中的存储单元。

PRAM中的相变材料通常包括包含锗(Ge)、锑(Sb)、和碲(Te)的化合物，即，“GST”化合物。GST化合物非常适合PRAM，因为其可以通过加热和冷却在非晶态与晶态之间快速转变。除了GST化合物之外，或作为GST化合物的替换，也可以在相变材料中使用各种其它的化合物。其它化合物的例子包括但并不局限于诸如GaSb、InSb、InSe、Sb₂Te₃和GeTe等的两种元素化合物，诸如GeSbTe、GaSeTe、InSbTe、SnSb₂Te₄和InSbGe等的三种元素化合物，或诸如AgInSbTe、(GeSn)SbTe、GeSb(SeTe)和Te₈₁Ge₁₅Sb₂S₂等的四种元素化合物。

PRAM中的存储单元称为“相变存储单元”。相变存储单元通常包括上电极、相变材料层、下电极触点、下电极、和存取晶体管(access transistor)。通过测量相变材料层的电阻在相变存储单元上执行读操作，并且通过如上所述加热并冷却相变材料层在相变存储单元上执行编程操作。

一般而言，通过将电“置位”或“复位”脉冲施加到电极，以便将相变材料层改变到“置位”或“复位”状态，从而进行编程操作。通常，将数据“0”编程到存储单元所需要的时间大约是将数据“1”编程到存储单元所需要的时间的5倍。例如，编程数据“0”所需要的时间可以大概为600纳秒，而编程数据“1”所需要的时间可以大概为120纳秒。

遗憾的是，传统PRAM设备可以同时接收多位的输入，却不能将所述位同步编程到相应存储单元。例如，PRAM可以通过多个管脚接收16个输入，但是PRAM不能同步访问16个相变存储单元。导致这个缺陷的一个原因如下：如果编程一个相变存储单元需要1毫安的电流，那么同步编程16个相变存储单元就需要16毫安的电流。此外，如果驱动电路提供电流的效率为10％，那么实际上同步编程16个存储单元就需要160毫安的电流。但是，通常都没有将传统PRAM设备配备成提供如此高值的电流。