本发明涉及用于对结构相变材料固体存储器件进行编程的技 术，例如利用可编程为不同电阻率状态来存储数据的硫族化物材料 存储器的编程技术。

使用结构相变材料作为数据存储机理的固体存储器件(简称为” 相变存储器”)比传统的基于电荷的存储器在成本和性能上具有明显 的优势。相变存储器由组成单元的阵列构成，每个单元具有一些结 构相变材料来存储所述单元的数据。这种材料例如可以是硫族化物 合金，它呈现从非晶态到结晶态可逆的结构相变。将少量硫族化物 合金结合到电路中，使所述单元可以起快速转换的可编程电阻器的 作用。这种可编程电阻器可以呈现比40倍的结晶态(低电阻率)和非 晶态(高电阻率)之间的电阻率动态范围还大的动态范围，并且还能 够呈现允许在每个单元中进行多位存储的多种中间态。存储在单元 中的数据通过测量单元的电阻率读出。硫族化物合金单元也是非易 失性的。

用于对相变存储单元编程的传统技术是：在电压大于相变材料 的开关阈值的条件下将电流的矩形脉冲(具有恒定的幅度)加到单元 上，这使材料处于复位状态(非晶态和高电阻率)。然后仍然在电压 大于开关阈值的条件下施加后续矩形脉冲，将材料改变为置位状态 (结晶态和低电阻率)。复位脉冲的电流幅度高于置位脉冲，以便将 相变材料的温度升高到Tm，即非晶化温度，随后将材料迅速冷却， 保持在非晶态。要改变成结晶态，可以将材料加热回到最佳温度Topt， 所述Topt低于Tm。Topt是允许单元中的材料在相对较短的时限内结晶 因而产生较低电阻的温度。理想的情况是采用以下方法来实现这一 点：使置位脉冲的幅度小于复位脉冲的幅度以防止相变材料达到非 晶化温度，但置位脉冲的幅度又足够大以使材料达到Topt。

由于相变存储器的制造过程和材料的变化，对于利用置位脉冲 所获得的给定编程电流/电压电平，在制成的器件的单元中的相变材 料的实际温度在各个单元之间会有显著的差异。这种差异会无意间 使器件的一个或多个单元中的材料在加上传统矩形脉冲时达到Tm， 从而导致那些单元错误的保持在复位状态，而不改变为置位状态。 为避免这个问题，传统的编程技术使用幅度减小的矩形置位脉冲(加 到器件的每个单元上)，如图1所示。考虑到在所述幅度时单元温度 的预期变化，置位电流应足够低，以保证在加置位脉冲时器件中没 有单元达到Tm。但这种解决方案会减慢存储器件的编程，因为由于 置位脉冲的较低幅度所产生的低于最佳的温度，就需要较长的矩形 置位脉冲。此外，存储器中许多单元的稳定显著低于最佳温度，这 就减小了这些单元中置位和复位状态之间的电阻率动态范围。

附图简要说明

附图中用举例的方式而不是限制的方式来说明本发明，附图中 类似的参考符号表示类似的元件。应当指出，本公开中提到”一个”实 施例并不一定指同一实施例，是指至少一个实施例。

图1示出用于对相变存储器进行编程的传统脉冲序列。

图2示出按照本发明实施例的相变存储器编程脉冲序列，包括 置位扫描(set sweep)。

图3示出相变材料存储单元的结晶时间随相变材料温度而变的 曲线。

图4示出另一个相变存储器编程脉冲序列，包括置位扫描。

图5示出将按照本发明实施例的置位扫描加到单元上时，存储 单元中相变材料的温度变化与时间的关系曲线。

图6示出对于特定的相变存储器件，存储单元电阻对编程电流 电平的曲线。

图7示出对于大的存储单元群，存储单元电阻与编程电流的关

系曲线，图中示出所述大存储单元群中较宽的变化的实例。

图8示出相变材料存储器件的方框图，包括用来提供对器件组

成单元进行编程所需的电压和电流的波形成形和驱动电路。

图9示出包括编程过程的相变存储器的便携式应用的实施例方 框图。

详细说明

按照本发明的实施例，用于对相变存储器进行编程的置位脉冲 通常成形为三角形，而不是矩形。本文中这种脉冲也称为”置位扫描”。 利用置位扫描，可以提高置位脉冲电流的幅度，使得器件所有单元 中的相变材料在置位脉冲期间可以达到至少Topt的温度，但由于脉冲 后沿部分向下倾斜，器件所单元仍改变为置位状态。在存储器中发 生较好的结晶，而与制造过程和材料的变化无关。有了较好的结晶， 置位和复位状态之间的电阻率差异就更为显著。这意味着提高了存 储器中差异的容限，因此，通过允许制造和测试流程中更高的产出 来降低制造成本。

虽然当三角形置位脉冲的幅度大于传统置位脉冲的幅度时，存 储器件可达到高达Tm的温度，但三角形脉冲具有衰减或向下倾斜的 后沿部分，使得即使达到Tm的单元也有可能冷却到Topt并在此温度 或接近此温度时结晶。后沿部分期间的衰减足够慢，确保在大约Topt 时那些单元用最少的所需时限来产生那些单元中较好的结晶。对于 预期其单元群中具有大差异的器件，由于后沿部分的倾斜而从最大 值到最小值的电流过渡时间需要比预期有较小差异的器件要长一 些。

图2示出按照本发明实施例的相变存储器的编程脉冲序列。将 第一脉冲204加到相变存储器的组成单元上。所述脉冲可以是任何 传统类型。典型的形状是矩形，如图所示，具有恒定的电流幅度。 矩形脉冲比较容易产生，只用单一的开关晶体管即可(未示出)。如 在以上背景部分中所述，第一脉冲可以是复位或非晶化脉冲，所述 脉冲的幅度Ireset足够高，以便使单元中的相变材料达到Tm，即，材 料的非晶化温度。或者，在第一脉冲204使单元保持在预定的状态 时，电流幅度可以不同。还这样选择第一脉冲204的脉冲宽度，使 其具有足以获得预定状态的长度。

加第一脉冲204后加第二脉冲208，所述第二脉冲通常是三角形， 如图所示。第二脉冲208具有前沿部分，其幅度峰值或最大值为 I2(max)，其后沿部分衰减到最小值I2(min)。前沿部分具有比后沿部分大 得多的斜率。根据制造过程和相变材料上的材料变化，以及存储器 件组成单元中的电路，可以这样选择第二脉冲的形状，以便在存储 器件的每个单元上加上第二脉冲时，每个单元都从第一状态改变为 第二个不同的状态。第一和第二状态可以是在上述背景部分中所述 的复位和置位状态。第二脉冲208的成形涉及许多参数的设定，包 括最大和最小值、衰减速率/脉冲宽度，应根据所用相变材料的结构 和类型，以及存储器件的工作热环境来设定。

I2(max)和I2(min)的电平可以采用各种数值。例如，I2(max)可以显著 地大于Ireset，或只要脉冲宽度足够长，能确保加有脉冲的单元中的 相变材料能结晶，I2(max)也可以显著地较小。结晶是温度和材料在此 温度下停留的时间的函数。这一点可用图3来解释，图3示出结晶 时间(在相变材料存储单元中)作为相变材料温度的函数的曲线图。 所述曲线图表示在温度低于Topt时，材料需要较长的时间结晶。所以， 需要较低的电流幅度(大致转换为在相变材料中产生的较低温度)， 较长的脉冲宽度，来置位相变材料单元。理想的是，置位脉冲应具 有的电流幅度能在存储器件的尽可能多的单元中产生Topt，以便为那 些单元提供最短的编程时限、Tmin以及最低的置位状态电阻。

I2(min)的电平也可以在很宽的数值范围内变化，包括低到零。理 想的是，置位脉冲的I2(min)的上限能确保加有所述脉冲的所有单元中 相变材料的温度在脉冲结束时(达到Tmin时)都低于Tm。

图4示出另一个相变存储器的编程脉冲序列。注意，在此实例 中第二脉冲(置位扫描)308，虽然一般仍可称为三角形，但在前沿和 后沿之间有一个较短的中间部分，所述中间部分相对于前沿和后沿 部分而言具有基本上是零的斜率。而且，和图2的线性衰减斜率不 同，图4中后沿部分具有非线性的斜率。一般来说，后沿部分的衰 减速率可以有很宽的范围，包括多项式、对数式以及指数式，只要 后沿部分使器件中所有相关的单元扫过(sweep through)快速结晶温 度时限。

三角形置位脉冲对相变存储器中单元温度的影响示于图5的示 范曲线图中。可以看出，即使在对于三角形置位脉冲中给定的幅度 和衰减有很大的温度变化(由阴影部分表示)的情况下，整个存储器 件仍在快速的结晶温度时限内被扫描，使器件中的所有单元都获得 最佳的，即最低的置位电阻。这一点也示于图6，图6示出对于特定 的相变存储器件，存储单元电阻与置位电流的关系曲线。以复位状态 开始，当存储单元对各种电平的编程电流作出响应时绘制其电阻。 加各种电平的编程电流的顺序用箭头表示，从左边开始，向右移动， 再回到左边。可以看出，在置位电流快速升高到接近复位电平之前 的置位电流值处可获得最低的置位电阻。最好，当置位扫描脉冲从 其峰值向下扫描回来时，置位脉冲的三角形性质能使这最低的置位 电阻被”锁定”。确保存储器件中每个单元有最低的置位电阻，就可为 存储器的读出操作提供优良的安全系数、更高的制造产出以及更好 的产品可靠性。

也可以通过考虑图7来理解置位扫描的优点，图7中示出对于 存储器件中的大存储单元群的存储单元电阻和编程电流的关系曲 线。这种器件因其存储器组成单元群中的相当大的差异而受到损害。 为将所有单元从置位状态变为复位状态，(对每个单元)加幅度为Ireset 的传统矩形脉冲就行。但加同样矩形置位脉冲(具有恒定的幅度)的 传统编程技术不能使器件中的每一个单元返回到置位状态。这是因 为要实现这一点电流幅度必需至少高达Iconv。但在这种幅度时，当脉 冲突然结束时，某些单元，即在区域704中的那些单元，仍停留在 复位状态。相反，如果I2(min)选择为如图所示，用置位扫描就不会发 生这种情况，因为在脉冲缓慢衰减到I2(min)的时间之前，所有单元， 包括在区域704以及区域708中的那些单元，会在结晶温度时限内被 扫描(所以能保证回复到置位状态)。置位扫描用回路712表示，其后 沿部分用点画线表示。

现转向图8，图中所示为相变材料存储器件的方框图，包括波形 成形和驱动电路，用以提供对器件组成单元进行编程所需的电压和 电流电平。器件以存储单元604的阵列为特征，所述阵列中每个单 元604可以用唯一的一对垂直导体614和水平导体610存取。在此实 施例中，水平导体610允许把来自定时逻辑电路620的控制信号提供 给每个单元604，以便接通或断开其中的固体开关。所述固体开关与 相变材料块串联，开关的另一端子连接到电源或电源回线节点。因 此，当接通开关时电流可以通过相变材料流出或被吸收。所述编程 电流通过垂直导体614提供。编程电流的流出或吸收可以或者通过 读出电路618或者通过波形成形和驱动电路608进行，根据进行读出 或写入操作而定。读出电路618可以完全是传统电路。

将这样设计波形成形和驱动电路608，以便按照以上描述第一和 第二脉冲提供对单元604进行编程所需的电压和电流电平，其中， 第二脉冲具有一般的三角形状。波形成形电路可以利用传统的模拟 波形成形电路实现，例如积分器/斜坡电路、指数和对数电路以及其 它电路。然后由传统的扇出电路驱动成形的脉冲，以便确保每个连 接到垂直导体604上的单元604接收到具有所需电平的电压和电流， 实现置位扫描。

与产生脉冲关联的定时由定时逻辑电路620确定。定时逻辑电 路620向波形成形和驱动电路608和读出电路608提供数字控制信 号，使得这些电路按照正确的定时或者测量存储单元604的电阻或 者向所选存储单元604提供复位和置位脉冲。单元604的存取可以随 机进行，每个单元可单独存取，或按照逐行的方式协调进行，视存 储器系统的较高级要求而定。

可以利用各种不同的制造过程，包括稍作改动的传统的互补金 属氧化物半导体(CMOS)逻辑电路制造过程来制造图8所示的存储器 件。可以在同一集成电路(IC)芯片上形成单元604的阵列和波形成形 和驱动电路608，如果这样，可以获得系统集成在单一芯片上的低成 本的优点。

图9示出以上描述的相变存储器编程过程的便携式应用904的 方框图。相变存储器908按照以上描述的编程过程的实施例工作。 相变存储器908可以包括一个或多个集成电路芯片，每个芯片具有 按照以上图1到8中描述的编程技术的各种实施例编程的存储器阵 列。这些芯片可以是分离的、独立的存储器件，将它们设置成模块， 例如传统的动态随机存取存储器(DRAM)模块，或者将它们与其它片上 功能结合在一起。在后一种实施例中，相变存储器908可以是I/O处 理器或微控制器的一部分。

应用904可以是例如便携式笔记本电脑、数字静止和/或视频摄 像机、个人数字助理或移动(蜂窝)手持电话等。在所有这些应用中， 电子系统包括处理器910，它用相变存储器908作为程序存储器来存 储代码和数据供其执行。或者，相变存储器908可用作大容量存储 器件，用于代码和数据的非易失存储。便携式应用904通过I/O接口 914与其它装置例如个人计算机或计算机网络等通信。I/O接口914 可以接入计算机外围设备总线、高速数字通信传输线或非制导传输 天线。处理器和相变存储器908之间以及处理器和I/O接口904之间 的通信可以利用传统的计算机总线体系结构来实现。

便携式应用904的上述部件由电池918通过电源总线916供电。 由于应用904一般由电池供电，其功能部件，包括相变存储器件908， 应设计成在低耗电水平提供所需的功能。此外，由于便携式应用的 受约束的尺寸的缘故，图9所示的各种部件，包括相变存储器件908， 应提供较高的功能密度。当然，相变存储器908还有其它的非便携 式应用，此文未予示出。这些应用包括：例如可得益于非易失性存 储器件例如相变存储器的大型网络服务器或其它计算装置。

作为一个实例，相变材料可以是Ge2Sb2Te5。示范的脉冲可以具 有峰值电流幅度Ireset，所述Ireset足够高，使阵列中的单元可以被编 程为复位状态。示范的脉冲也可具有下降沿，它在大约200nsec内从 Ireset下降到零电流。但这些特性仅为示例，本编程技术也可使用各 种不同的相变材料和具有较慢的下降沿的脉冲形状。

概言之，以上说明了相变材料存储器编程技术(称为置位扫描) 的各种实施例。在以上的说明书中，是参阅具体的示范实施例对本 发明加以说明的。但显然可以对其进行各种修改和变化，而不会背 离如所附权利要求书所提出的本发明的广义精神和范围。例如，相 变材料可以是硫族化物合金或可以用作可编程电阻器的其它合适的 结构的相变材料。所以，本说明书和附图应认为是说明性的而非限 制性的。

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