CN105810242A - 一种相变存储器和提高其疲劳寿命的操作方法 - Google Patents

一种相变存储器和提高其疲劳寿命的操作方法 Download PDF

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陈�峰
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Abstract

本发明提供一种相变存储器和提高其疲劳寿命的操作方法，所述相变存储器至少包括：相变存储单元阵列；写擦驱动模块，与所述相变存储单元阵列相连，用于产生和输出写操作和擦操作电流信号；操作次数比较器，与所述写擦驱动模块相连，用于监控所述相变存储单元阵列写操作和擦操作的操作次数，根据所述操作次数和相变存储单元阵列的高低阻识别窗口的关系，调整所述写操作和擦操作电流信号。所述相变存储器还包括行译码器、列译码器和读电路模块。本发明通过增加操作次数比较器，监测存储单元的操作条件，实时动态调整操作电流的幅值以及持续时间，从而有效的提高相变存储器的疲劳操作寿命。

Description

一种相变存储器和提高其疲劳寿命的操作方法
技术领域
本发明涉及微纳电子学技术领域中相变存储器器件单元的高性能测试技术，特别是涉及一种相变存储器和提高其疲劳寿命的操作方法。
背景技术
相变存储技术是基于Ovshinsky在20世纪60年代末(Phys.Rev.Lett.,21,1450～1453,1968)70年代初(Appl.phys.lett.,18,254～257,1971)提出的相变薄膜可以应用于相变存储介质的构想建立起来的，是一种价格便宜、性能稳定的存储器器件。相变存储器可以做在硅晶衬底上，其关键材料是可记录的相变薄膜、加热电极材料、绝热材料和引出电极材料等。相变存储器的基本原理是利用电脉冲信号作用于器件单元上，使相变材料在非晶态与多晶态之间发生可逆相变，通过分辨非晶态时的高阻与多晶态时的低阻，可以实现信息的写入、擦除和读出操作。
相变存储器的读、写、擦操作就是在器件单元上施加不同宽度和高度的电压或电流脉冲信号：写操作(RESET)，当加一个短且强的脉冲信号使器件单元中的相变材料温度升高到熔化温度以上后，再经过快速冷却从而实现相变材料多晶态到非晶态的转换，即“0”态到”1”态的转换；擦操作(SET)，当施加一个长且中等强度的脉冲信号使相变材料升高到熔化温度以下、结晶温度之上后，并保持一段时间促使晶核生长，从而实现非晶态到多晶态的转换，即“1”态到“0”态的转换；读操作，当加一个对相变材料的状态不会产生影响的很弱的脉冲信号后，通过测量器件单元的电阻值来读取它的状态。
现有的相变存储器的操作手段有单脉冲、双脉冲以及阶梯波等形式，在整个相变存储器的有效操作生命周期中，操作条件通常都是保持不变的，而相变材料随着操作次数的增多，存储材料本身的特性已然发生了改变，存储单元的编程条件会逐渐漂移，原有的固定的操作条件可能会出现过操作，造成了器件寿命减小，过早的失效。
因此，提供一种新的相变存储器和提高其疲劳寿命的方法是本领域技术人员需要解决的课题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种相变存储器和提高其疲劳寿命的操作方法，用于解决现有技术中的相变存储器随着操作次数的增加，出现能量溢出，引起材料偏析，导致相变存储器的疲劳寿命缩短的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种相变存储器，所述相变存储器至少包括：
相变存储单元阵列；
写擦驱动模块，与所述相变存储单元阵列相连，用于产生和输出写操作和擦操作电流信号；
操作次数比较器，与所述写擦驱动模块相连，用于监控所述相变存储单元阵列写操作和擦操作的操作次数，根据所述操作次数和相变存储单元阵列的高低阻识别窗口的关系，调整所述写操作和擦操作电流信号。
作为本发明相变存储器的一种优选的方案，所述相变存储器还包括：
行译码器，与所述相变存储单元阵列相连，用于选中所述相变存储单元阵列的行地址；
列译码器，与所述相变存储单元阵列相连，用于选中所述相变存储单元阵列的列地址；
读电路模块，与所述相变存储单元阵列相连，用于读取所述相变存储单元阵列的存储数据。
作为本发明相变存储器的一种优选的方案，所述相变存储单元阵列包括多个相变存储单元，每个相变存储单元的结构包括相变材料层和与所述相变材料层接触电连的上电极、下电极。
所述相变材料层的材料为硫系化合物，所述上电极的材料为钨，下电极的材料为钨或氮化钛。
作为本发明相变存储器的一种优选的方案，利用所述写擦驱动模块提供的写操作和擦操作电流信号实现所述相变存储单元阵列的写操作和擦除操作。
作为本发明相变存储器的一种优选的方案，所述电流信号为单脉冲、双脉冲或阶梯波形式的脉冲电流，利用所述电流信号实现编程操作。
作为本发明相变存储器的一种优选的方案，所述操作次数比较器根据所述相变存储单元阵列已经经历过的写擦操作次数，调整所述写擦驱动模块进行写操作和擦操作，其中调整的电流信号参数包括脉冲幅值、脉冲宽度、或者将电流信号的形式在单脉冲、多脉冲或者阶梯波之间互相转换。
本发明还提供一种提高相变存储器疲劳寿命的操作方法，所述操作方法包括：
利用相变存储单元阵列进行写操作和擦操作；
利用操作次数比较器监控所述相变存储单元阵列写操作和擦操作的操作次数，再通过相变存储单元阵列的高低阻识别窗口和所述操作次数的关系，调整所述写操作和擦操作电流信号
如上所述，本发明的相变存储器和提高其疲劳寿命的操作方法，所述相变存储器至少包括：相变存储单元阵列；写擦驱动模块，与所述相变存储单元阵列相连，用于产生和输出写操作和擦操作电流信号；操作次数比较器，与所述写擦驱动模块相连，用于监控所述相变存储单元阵列写操作和擦操作的操作次数，根据所述操作次数和相变存储单元阵列的高低阻识别窗口的关系，调整所述写操作和擦操作电流信号。所述相变存储器还包括行译码器、列译码器和读电路模块。本发明通过增加操作次数比较器，监测存储单元的操作条件，实时动态调整操作电流的幅值以及持续时间，从而有效的提高相变存储器的疲劳操作寿命。
附图说明
图1为本发明相变储存器的结构框图。
图2为本发明相变存储器实时操作参数调整示意图。
图3为现有常规的单脉冲操作疲劳测试结果。
图4为本发明采用动态参数调整的单脉冲测试方法所得的测试结果。
元件标号说明
1相变储存单元阵列
2写擦驱动模块
3操作次数比较器
4行译码器
5列译码器
6读电路模块
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
在相变存储单元阵列的整个生命周期中，随着操作次数的增加，其相变材料层的材料组分和材料特性会发生改变，熔融温度和结晶温度在发生改变，如果操作次数过多，将出现能量溢出的情况，导致材料偏析，缩短相变存储器的疲劳寿命。鉴于此，本发明提供一种新的相变存储器，解决上述出现的问题。
如图1所示，本发明提供一种相变存储器，所述相变存储器至少包括：相变存储单元阵列1、写擦驱动模块2以及操作次数比较器3。
所述相变存储单元阵列1包括多个相变存储单元，每个相变存储单元的结构至少包括相变材料层和与所述相变材料层接触电连的上电极、下电极。
本实施例中，所述相变材料层的材料优选为硫系化合物。利用硫系化合物材料在不同温度下的可逆相变特性，通过施加不同的编程电流脉冲，使材料形成不同的相态，其中非晶态为高阻态，晶态为低阻态，从而实现数据的存储。
所述上电极的材料为钨，下电极的材料为钨或氮化钛。当然，所述上电极和下电极的材料也可以是其他合适的导电材料，在此不限。
所述写擦驱动模块2与所述相变存储单元阵列1相连，用于产生和输出写操作和擦操作电流信号，利用所述写擦驱动模块2提供的写操作和擦操作电流信号实现所述相变存储单元阵列1的写操作(写“0”)和擦操作(写“1”)。
进一步地，所述电流信号为单脉冲、双脉冲或阶梯波形式的脉冲电流，利用所述电流信号实现编程操作。本实施例中，利用单脉冲电流信号实现编程操作。
所述操作次数比较器3与所述写擦驱动模块2相连，用于监控所述相变存储单元阵列1写操作和擦操作的操作次数，根据所述操作次数和相变存储单元阵列1的高低阻识别窗口的关系，调整所述写操作和擦操作电流信号(幅值和持续时间)。换句话说，所述操作次数比较器3的作用是记录和检测相变存储单元阵列1已经经历过的写擦操作次数，并且可以调整所述写擦驱动模块2提供的电流脉冲，从而实现动态参数调整。
更进一步地，所述操作次数比较器3调整的电流信号参数包括脉冲幅值、脉冲宽度、或者将电流信号的形式在单脉冲、多脉冲或者阶梯波等之间互相转换。
本实施例中，所述相变存储器还包括行译码器4、列译码器5以及读电路模块6。
所述行译码器4与所述相变存储单元阵列1相连，用于选中所述相变存储单元阵列1的行地址，所述列译码器5与所述相变存储单元阵列1相连，用于选中所述相变存储单元阵列1的列地址，所述读电路模块6与所述相变存储单元阵列1相连，用于读取所述相变存储单元阵列1的存储数据。通过所述行译码器4和列译码器5，可以对选中相变存储单元阵列1中对应的相变存储单元，并对所述相变存储单元进行写操作、擦操作以及读操作。
本发明还提供一种提高上述相变存储器疲劳寿命的操作方法，所述操作方法至少包括一下步骤：
首先利用相变存储单元阵列进行写操作和擦操作，然后利用操作次数比较器监控所述相变存储单元阵列写操作和擦操作的操作次数，再通过相变存储单元阵列的高低阻识别窗口和所述操作次数的关系，调整所述写操作和擦操作电流信号。
为了更清楚的描述本发明提供的操作方法，请参阅附图2，该附图为相变存储器实时操作参数调整流程图。
首先让芯片开始工作，写入数据(即利用相变存储单元阵列进行写操作(写“0”)和擦操作写“1”)，再用检测单元写入次数(即利用操作次数比较器监控和记录所述相变存储单元阵列写操作和擦操作的操作次数)，判断写入的次数是否超过某一范围(即通过相变存储单元阵列的高低阻识别窗口和所述操作次数的关系，判断写入的次数是否超过某一范围，超过则会引起材料偏析，操作条件漂移)，若发现写入的次数超过某一范围，则利用操作次数比较器修改写擦驱动模块的电流信号参数(即脉冲信号的幅值和持续时间等)，修改后继续执行写入操作(写“0”和写“1”)；若发现写入的次数没有超过某一范围，则无需更改写擦驱动模块的电流信号参数，继续执行写入操作(写“0”和写“1”)，直至编程完成，操作结束。
下面为具体的操作示例：
提供一种40nm工艺制作的64Mb相变存储芯片，下电极为TiN材料。对其用常见的单脉冲方法进行写擦操作，写操作的电流脉冲幅值为1.5mA，脉宽200ns，所得到的测试结果如图3所示，疲劳寿命为1×106次。另外，改用本发明提供的动态调整的操作方法，先采用写操作的电流脉冲幅值为1.5mA，脉宽200ns，然后定义操作1×104次后Reset写操作条件调整为1.3mA，200ns，操作1×105次后写操作条件调整为1.1mA，200ns，操作1×106次后写操作条件再调整为0.9mA，200ns。如图4所示，可以看出，用本发明提供的动态调整的操作方法可以有效的缓解材料偏析造成的高低阻值窗口漂移，有效的延长了相变存储器单元的疲劳寿命至2×107次。
综上所述，本发明提供一种相变存储器和提高其疲劳寿命的操作方法，所述相变存储器至少包括：相变存储单元阵列；写擦驱动模块，与所述相变存储单元阵列相连，用于产生和输出写操作和擦操作电流信号；操作次数比较器，与所述写擦驱动模块相连，用于监控所述相变存储单元阵列写操作和擦操作的操作次数，根据所述操作次数和相变存储单元阵列的高低阻识别窗口的关系，调整所述写操作和擦操作电流信号。所述相变存储器还包括行译码器、列译码器和读电路模块。本发明通过增加操作次数比较器，监测存储单元的操作条件，实时动态调整操作电流的幅值以及持续时间，从而有效的提高相变存储器的疲劳操作寿命。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种相变存储器，其特征在于，所述相变存储器至少包括：
相变存储单元阵列；
写擦驱动模块，与所述相变存储单元阵列相连，用于产生和输出写操作和擦操作电流信号；
操作次数比较器，与所述写擦驱动模块相连，用于监控所述相变存储单元阵列写操作和擦操作的操作次数，根据所述操作次数和相变存储单元阵列的高低阻识别窗口的关系，调整所述写操作和擦操作电流信号。
2.根据权利要求1所述的相变存储器，其特征在于：所述相变存储器还包括：
行译码器，与所述相变存储单元阵列相连，用于选中所述相变存储单元阵列的行地址；
列译码器，与所述相变存储单元阵列相连，用于选中所述相变存储单元阵列的列地址；
读电路模块，与所述相变存储单元阵列相连，用于读取所述相变存储单元阵列的存储数据。
3.根据权利要求1或2所述的相变存储器，其特征在于：所述相变存储单元阵列包括多个相变存储单元，每个相变存储单元的结构至少包括相变材料层和与所述相变材料层接触电连的上电极、下电极。
4.根据权利要求3所述的相变存储器，其特征在于：所述相变材料层的材料为硫系化合物，所述上电极的材料为钨，下电极的材料为钨或氮化钛。
5.根据权利要求1所述的相变存储器，其特征在于：利用所述写擦驱动模块提供的写操作和擦操作电流信号实现所述相变存储单元阵列的写操作和擦操作。
6.根据权利要求1或5所述的相变存储器，其特征在于：所述电流信号为单脉冲、双脉冲或阶梯波形式的脉冲电流，利用所述电流信号实现编程操作。
7.根据权利要求1所述的相变存储器，其特征在于：所述操作次数比较器根据所述相变存储单元阵列已经经历过的写擦操作次数，调整所述写擦驱动模块进行写操作和擦操作的电流信号，其中调整的电流信号参数包括脉冲幅值、脉冲宽度、或者将电流信号的形式在单脉冲、多脉冲或者阶梯波之间互相转换。
8.一种提高相变存储器疲劳寿命的操作方法，其特征在于，所述操作方法包括：
利用相变存储单元阵列进行写操作和擦操作；
利用操作次数比较器监控所述相变存储单元阵列写操作和擦操作的操作次数，再通过相变存储单元阵列的高低阻识别窗口和所述操作次数的关系，调整所述写操作和擦操作电流信号。
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