具有恢复功能的相变存储器和方法技术

一种相变存储器件，包括：相变存储单元，具有在非晶态和晶态之间可编程的材料体。写电流源选择性地施加第一写电流脉冲以将相变存储单元编程为非晶态和施加第二写电流脉冲以将相变存储单元编程为晶态。相变存储器件还包括恢复电路，选择性地将第一写电流脉冲施加到相变存储单元，以至少恢复相变存储单元的非晶态。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种相变存储器件，更具体的说，本专利技术涉及一种包括相变单元的状态复原的相变存储器和方法。
技术介绍
相变存储单元器件依赖于诸如硫族化物等的相变材料，这种材料能够在非晶相和晶相之间稳定转变。两种晶相呈现出的不同阻抗值用于区别存储单元的逻辑值。也就是说，非晶态呈现出高阻抗，晶态呈现出低阻抗。现在参考图1，该附图示意性地描述了相变单元的晶相转变。相变单元由顶电极和底电极101和102、电阻诸如BEC的加热器103、以及诸如硫族化物合金的相变材料体104构成。相变材料104的一部分的相态由通过电阻加热器103的电流量决定的材料的焦耳热量确定。为了获得非晶态(称为“RESET”状态)，需要将高电平的写电流脉冲(“RESET脉冲”)通过相变单元，以在短时间内融化材料104的部分。电流撤除，单元迅速冷却到熔点之下，使部分材料104具有非晶相。例如，硫族化物的熔点约为610℃。为了获得晶态(称为“SET”状态)，需要将低电平的写电流脉冲(“SET脉冲”)长时间施加到相变单元，以将材料104加热到低于其熔点的一个值。这使材料的非晶部分再次结晶为晶相，一旦电流撤掉、单元迅速冷却，该晶相就保持下来。例如，硫族化物的再结晶温度约为450℃。图2图解了SET和RESET操作期间硫族化物相变单元材料的温度随时间的变化。如图所示，材料在加热到高于熔化温度Tm之后迅速冷却(例如几纳秒)期间变为非晶体。通过长时间(例如小于等于50纳秒)在熔点Tm之下且在晶化温度Tx之上的温度下加热材料，会发生晶化过程。图3是示出相变存储单元的V-I特性的曲线图。并且，示例说明了硫族化物合金相变材料的情况。在该实施例中，1.0到1.5mA的SET电流区用于写存储单元的晶态，1.5到2.5mA的RESET电流区用于写存储单元的非晶态。从图3中明显可知，在读取操作期间，可以通过采用低于给定阈值电压Vt的低读取电压(如小于0.5伏)容易的区分非晶态和晶态的不同阻抗值。阈值电压Vt是这样一个电压值，即在高于此电压时，非晶态和晶态的单元材料的电流变得相等。在传统相变随机访问存储器(PRAM)中，相变单元作为非易失性存储器操作。也就是说，需要应用足够高的写电流，来维持相变材料的非晶态和晶态。在传统非晶写操作(即RESET操作)中，相变材料的相变过程的特征在于晶核的形成与生长步骤是有序的。该生长步骤导致了RESET阻抗和SET阻抗之间的大比值。例如，RESET阻抗有可能几十倍到几百倍于SET阻抗。这不利于提供相对较高的读取容限(sensing margin)和数据保持时间。然而，不幸的是，晶核的形成与生长都需要高的写电流，其总功耗巨大。因此希望提供一种可以减少功耗的相变存储器件，例如PRAM。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，提供了一种相变存储器件，包括相变存储单元，包括在非晶态和晶态之间可编程的材料体；和写电流源，选择性地施加第一写电流脉冲以将相变存储单元编程为非晶态和施加第二写电流脉冲以将相变存储单元编程为晶态。所述相变存储器件还包括恢复电路，将第一写电流脉冲选择性地施加到相变存储单元，以恢复相变存储单元的非晶态。根据本专利技术的另一方面，提供了一种相变存储器件，包括相变存储单元，包括在非晶态和晶态之间可编程的材料体。所述相变存储器件还包括写电流源，在低功率模式下操作，以选择性地施加第一写电流脉冲以将相变存储单元编程为非晶态和施加第二写电流脉冲以将相变存储单元编程为晶态，和在高功率下操作，以选择性地施加第三写电流脉冲以将相变存储单元编程为非晶态和施加第四写电流脉冲以将相变存储单元编程为晶态。所述相变存储器件进一步包括恢复电路，在低功率模式下操作，将第一写电流脉冲选择性地施加到相变存储单元，以恢复相变存储单元的非晶态。根据本专利技术的再一方面，提供了一种可在非易失性存储模式和易失性存储模式下操作的相变存储器件。该相变存储器件包括相变存储单元，包括在非晶态和晶态之间可编程的材料体；和恢复电路，在易失性存储模式下至少恢复相变存储单元的非晶态。根据本专利技术的另一方面，提供了一种相变存储器件，包括数据线；多条I/O线；多条位线；多条字线；和位于字线和位线的交点处的多个相变存储单元，其中，每个所述相变存储单元都包括在非晶态和晶态之间可编程的材料体。相变存储器件还包括写电流源，根据数据线的电压将第一和第二写电流脉冲输出到位线，第一写电流脉冲用于将相变存储单元编程为非晶态，第二写电流脉冲用于将相变存储单元编程为晶态。相变存储器件进一步包括多个读出放大器，分别连接到位线和I/O线，其读取相变存储单元的各个状态；和恢复电路，连接到I/O线和数据线，其控制数据线的电压，以至少恢复相变存储单元的非晶态。根据本专利技术的另一方面，提供了一种对相变存储单元编程的方法，所述方法包括选择性地将第一和第二写电流脉冲施加到相变存储单元，第一写电流脉冲用于将相变存储单元编程为非晶态，第二写电流脉冲用于将相变存储单元编程为晶态。该方法还包括检测相变存储单元的状态；和当相变存储单元被检测为非晶态时，通过再次将第一写电流脉冲施加到相变存储单元来执行第一恢复操作。附图说明本专利技术的上述和其它方面和特征通过下文中结合附图的详细描述将更加明显，其中图1示出了SET和RESET状态之间转变的相变存储单元的示意图；图2示出了SET和RESET操作过程中硫族化物相变单元的温度随时间变化；图3是相变存储单元的V-I特性的曲线图；图4是应用于本专利技术实施例的相变存储器件的双单元电路的电路图；图5是根据本专利技术一个实施例的易失性存储模式的流程图；图6是本专利技术一个实施例中的相变存储器件的电路图；图7是本专利技术一个实施例的相变存储器件的电流源的方框图；和图8(A)和8(B)是示出了根据本专利技术一个实施例的相变存储单元分别处于非易失性模式和易失性模式的V-I特性的曲线图。具体实施例方式下面将参考几个优选的非限定性的实施例来详细描述本专利技术。如上所述，传统相变存储器是非易失性器件，对于非晶态的相变转变过程包括有序的晶核形成和生长步骤。相反，至少本专利技术的部分特征在于易失性存储模式(或低功率模式)下的操作，在该模式下，向非晶态的转变仅包括晶核形成过程。此外，在易失性模式下，非晶态写入和晶态写入都产生远远低于传统器件的写电流。明显地降低了能量消耗。并且，在降低了非晶态和晶态之间的合成电阻比的同时，还足以对数据进行读取。举例来说，下面的表1示出了采用硫族化物相变单元材料的情况下本专利技术的易失性和非易失性模式下的写电流。表1 如表1中的例子所示，易失性模式下的写电流安培数明显小于非易失性模式下的安培数。此外，在两个模式下，非晶态(RESET)写电流脉冲的安培数大于晶态(SET)写电流脉冲的安培数，非晶态写电流脉冲的脉冲宽度小于晶态写电流脉冲的脉冲宽度。然而，在易失性模式下，RESET写入脉冲的安培数不必超过SET脉冲的安培数。例如，RESET脉冲和SET脉冲可以具有相同的安培数，但是可以具有不同的脉冲宽度和不同的灭弧时间。应当注意，这里所使用的措辞“非晶态”具有相对的含义，其意味着材料的大部分处于非晶态而不是晶态，或者材料的非晶态的程度高于其晶态的程度。在任意一种情况下，特别是在易失性模式下，材料或部分材料都不必大部分或主要非晶化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种相变存储器件，包括：相变存储单元，包括在非晶态和晶态之间可编程的材料体；写电流源，选择性地施加第一写电流脉冲以将所述相变存储单元编程为非晶态和施加第二写电流脉冲以将所述相变存储单元编程为晶态；和恢复电路，将所述第 一写电流脉冲选择性地施加到所述相变存储单元，以恢复所述相变存储单元的非晶态。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：黄荣南，金奇南，安洙珍，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]