[发明专利]相变随机访问存储器与相关操作方法

说明书

技术领域

一般地，本发明实施例涉及相变随机访问存储器(PRAM)设备与相关操作方法。更具体地，本发明实施例涉及PRAM设备与执行包括划分编程操作与验证读取操作的编程操作的相关方法。

背景技术

相变存储器设备利用相变材料(其能够在非结晶与结晶相之间稳定地转变，例如氧属化物(chalcogenide))来存储数据。非结晶与结晶相(或者状态)显示不同的电阻值，这用来区分存储器设备中的存储单元的不同逻辑状态。具体地，非结晶相显示相对较高的电阻，而结晶相显示相对较低的电阻。

至少一种类型的相变存储器设备——PRAM——使用非结晶状态来表示逻辑′1′，用结晶状态来表示逻辑′0′。在PRAM设备中，结晶状态被称为“置位状态”，非结晶状态被称为“复位状态”。相应地，PRAM中的存储单元通过将该存储单元中的相变材料设置为结晶状态，来存储逻辑′0′，并且存储单元通过将相变材料设置为非结晶状态，来存储逻辑′1′。例如在美国专利第6487113与6480438号中，公开了各种PRAM设备。

通过将PRAM中的相变材料加热到高于预定熔融温度的第一温度、然后迅速冷却该材料，将该材料转变为非结晶状态。通过在低于该熔融温度但是高于结晶温度上加热该材料一段较长的时间，将相变材料转变为结晶状态。相应地，通过如上所述地利用加热与冷却、在非结晶与结晶状态之间转换PRAM的存储单元中的相变材料，将数据编程到PRAM中的存储单元。

PRAM中的相变材料一般包括包含锗(Ge)、锑(Sb)、以及碲(Te)等的化合物，即“GST”化合物。GST化合物很适合于PRAM，这是因为其可以通过加热与冷却在非结晶与结晶状态之间迅速转变。除GST化合物之外，或者作为其替代物，可以在相变材料中使用多种其他化合物。其他化合物的例子包括但不限于：两元素化合物，例如GaSb、InSb、InSe、Sb₂Te₃、与GeTe；三元素化合物，例如GeSbTe、GaSeTe、InSbTe、SnSb₂Te₄、与InSbGe；或者四元素化合物，例如AgInSbTe、(GeSn)SbTe、GeSb(SeTe)、与Te₈₁Ge₁₅Sb₂S₂。

PRAM中的存储单元被称为“相变存储单元”。相变存储单元一般包括上电极、相变材料层、下电极触点、下电极、以及存取晶体管。通过测量相变材料层的电阻，对相变存储单元进行读取操作，而通过如上所述地加热与冷却相变材料层，对相变存储单元进行编程操作。

不幸的是，常规PRAM设备可以同时接收几个比特的输入，但是不能同时将这些比特编程到相应存储单元中。例如，PRAM可以通过多个引脚接收16个输入，但是PRAM不能同时存取16个相变存储单元。这个缺点的一个原因在于：如果需要1mA的电流来编程一个相变存储单元，则将需要16mA的电流来同时编程16个相变存储单元。另外，如果提供电流的驱动器电路的效率为10％，则实际上将需要160mA的电流来同时编程16个存储单元。但是，常规PRAM设备的配备一般不能提供这样高幅度的电流。

因为PRAM设备中的编程驱动器只提供有限量的电流，所以可以将几个相变存储单元的编程操作划分为几个“划分编程操作”，其每个只需要编程所有这几个相变存储单元所需总电流的一部分。在每个划分编程操作中，编程较大组中的存储单元子集(即“划分”)。例如，可以通过将16个相变存储单元划分为2单元的8个组(即划分)、并且在8个连续的划分编程操作中、同时编程每个2单元组中的两个存储单元，编程一组16个相变存储单元。

为了防止不必要的电流消耗以及编程失败，PRAM设备也可以进行验证读取操作，以验证每个所选存储单元的编程状态。为了进行验证读取操作，将要编程到所选存储单元中的编程数据存储在临时存储位置中，例如编程缓冲器。接着，将编程数据编程到所选存储单元中。然后，读取在所选存储单元中存储的数据，并且将其与在临时存储位置中存储的编程数据比较。如果临时存储位置中存储的数据不同于在所选存储单元中存储的数据，则验证读取操作指示编程失败。否则，验证读取操作指示编程成功。

图1为显示操作PRAM设备的常规方法的概念时序图，其使用划分编程操作。为了解释的目的，假定PRAM设备的编程操作使用8个划分编程操作，将16比特的数据编程到划分为8对或组的16个所选存储单元中。