相变存储器单元的写初始化方法及其阵列的写初始化方法
【专利摘要】本发明提供一种相变存储器单元的写初始化方法及其阵列的写初始化方法，所述单元的写初始化方法包括如下步骤：S1：采用初始化写脉冲操作相变存储器单元，在所述相变存储器单元中形成非晶区域；所述非晶区域大于相变存储器默认写脉冲产生的非晶区域；S2：采用擦脉冲将所述相变存储器单元操作至低阻状态，使所述初始化写脉冲形成的非晶区域转化为面心立方晶粒区域；S3：采用默认写脉冲操作所述相变存储器单元。其中，在一次初始化后，可进一步验证初始化效果，并根据需要选择是否需要再次初始化。本发明使用初始化写脉冲，对阵列各单元的FCC晶粒区域进行控制，可以有效提高阵列平均写电阻，降低写电流，同时使得相变存储阵列的电阻分布更加集中。
【专利说明】
相变存储器单元的写初始化方法及其阵列的写初始化方法
技术领域
[0001]本发明属于微纳电子学技术领域，涉及一种相变存储器单元的写初始化方法及其阵列的写初始化方法。
【背景技术】
[0002]相变存储器(Phasechange random access memory ,PCRAM)是一种新型非易失随机存储器，在工艺上与CMOS标准工艺完全兼容，并且具有操作速度快，抗疲劳特性好和微缩性等特点，在低压，低功耗，高速，高密度和嵌入式存储方面有非常广阔的商业前景。PCRAM被认为是最有可能取代闪存(FLASH)的下一代非易失性存储器。
[0003 ]相变存储器通过利用相变材料的晶态和非晶态特性来存储数据。相变材料的非晶态和晶态之间的转化是通过操作电流加热来实现的。当给相变材料施加一个窄脉宽的大电流脉冲，实现相变材料的快速熔融与淬火，造成相变材料从晶态到非晶态的转变，也就是相变材料从低阻到高阻的转变，称之为写过程(RESET过程)。这种高阻的非晶态称为RESET状态，对应数据“O”。当给相变材料施加一个长脉宽的幅值适中的电流脉冲，实现相变材料的在结晶温度下的结晶，造成相变材料从非晶态到晶态的转变，也就是相变材料从高阻态到低阻态的转变，称之为擦过程(SET过程)。这种低阻的非晶态称为SET状态，对应数据“I”。相变存储器的晶态主要有两种晶粒结构，分别是面心结构(FCC)和六方结构(HEX)。其中，HEX晶粒在制造过程中，由于高温退火形成。相变存储器单元经过制造后的最初状态为HEX晶粒。FCC晶粒是在相变存储器单元的非晶区域经过再结晶形成，主要分布在底电极周围。再结晶后的相变存储单元主要分为靠近底电极的FCC晶粒区域和该区域以外的HEX晶粒区域。FCC晶粒与HEX晶粒有很多性质上的差异，特别是导热方面的差异，而导热的差异主要会影响相变存储单元的温度分布。
[0004]相变存储器的写电阻大小主要与相变存储单元熔融区域大小和淬火时间有关。而相变存储单元的熔融区域大小除了受到写电流，电极材料等因素影响以外，还与FCC晶粒区域的大小有关。FCC晶粒区域越大，相同写电流条件下，相变存储单元熔融区域越大。另外，相变存储器在经过过大的电流操作后，会出现写电阻降低的现象，这种现象称为“过写”(overRESET)。写电流大小制约着相变存储器的密度和寿命，同时对功耗的降低形成严峻的挑战；写电阻大小不仅影响相变存储器的数据存储的成功率，同时影响着相变存储器的数据稳定性。
[0005]因此，如何提供一种相变存储器单元的写初始化方法及其阵列的写初始化方法，以降低相变存储器的写电流大小，提高写电阻大小，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。
【发明内容】
[0006]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单元的写初始化方法及其阵列的写初始化方法，用于解决现有技术中相变存储器写电流较大，导致相变存储器功耗较高、稳定性降低的问题。
[0007]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单元的写初始化方法，包括如下步骤:
[0008]S1:采用初始化写脉冲操作相变存储器单元，在所述相变存储器单元中形成非晶区域;所述非晶区域大于相变存储器默认写脉冲产生的非晶区域；
[0009]S2:采用擦脉冲将所述相变存储器单元操作至低阻状态，使所述初始化写脉冲形成的非晶区域转化为面心立方晶粒区域；
[0010]S3:采用默认写脉冲操作所述相变存储器单元。
[0011]可选地，所述初始化写脉冲及所述默认写脉冲均为电流脉冲，且所述初始化写脉冲的幅值高于所述默认写脉冲的幅值。
[0012]可选地，所述擦脉冲为直流电流脉冲，其使所述初始化写脉冲形成的非晶区域完全结晶。
[0013]可选地，于所述步骤S3中，进一步测量相变存储器单元的写电阻Rl，并与初始化之前相变存储器单元的写电阻RO进行比较，若满足Rl >R0，则初始化完成。
[0014]可选地，若不满足R1>R0，则增加初始化写脉冲的幅值，并重复所述步骤S1-S3。
[0015]本发明还提供一种相变存储器阵列的写初始化方法，其采用上述任意一种相变存储器单元的写初始化方法对所述相变存储器阵列中需要进行写初始化的相变存储器单元进行写初始化操作。
[0016]可选地，判断所述相变存储器单元是否需要进行写初始化包括如下步骤:
[0017]通过选址电路选择当前相变存储器单元；
[0018]采用默认写脉冲操作当前相变存储器单元，并采用读电路读取当前相变存储器单元的写电阻；
[0019]将当前相变存储器单元的写电阻与目标写电阻进行比较；
[0020]若当前相变存储器单元的写电阻大于目标写电阻，则当前相变存储器单元不需要进行写初始化;若当前相变存储器单元的写电阻小于目标写电阻，则当前相变存储器单元需要进行写初始化。
[0021]可选地，所述目标写电阻大于写电阻的读判断阈值。
[0022]可选地，采用渐进方式对需要进行写初始化的相变存储器单元进行写初始化，其中，后一次的初始化写脉冲幅度在前一次初始化写脉冲幅值的基础上增加一个增量；当相变存储器单元的写电阻达到目标写电阻，对该单元的写初始化完成，否则对该单元进行下一次初始化。
[0023]可选地，所述初始化写脉冲的初始值大于或等于所述默认写脉冲的幅值。
[0024]可选地，所述增量为写电路的写电流基准的整数倍。
[0025]可选地，当阵列中所有需要进行写初始化的相变存储器单元写初始化后，初始化结束。
[0026]如上所述，本发明的相变存储器单元的写初始化方法及其阵列的写初始化方法，具有以下有益效果:本发明通过使用初始化写脉冲，对阵列各单元的FCC晶粒区域进行控制，可以有效提高阵列平均写电阻，降低写电流，同时使得相变存储阵列的电阻分布更加集中。
【附图说明】
[0027]图1显示为本发明的相变存储器单元的写初始化方法的流程图。
[0028]图2显示为本发明的相变存储器单元的写初始化方法中所使用的脉冲波形图。
[0029]图3显示为本发明的相变存储器阵列的写初始化方法的一种实施流程图。
[0030]图4显示为本发明的相变存储器阵列的写初始化方法的一种实施方式中，相变存储器阵列在进行写初始化处理前后的写电阻分布比较。
[0031]元件标号说明
[0032]SI ?S3步骤
【具体实施方式】
[0033]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。
[0034]请参阅图1至图4。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。
[0035]实施例一
[0036]本发明提供一种相变存储器单元的写初始化方法，请参阅图1，显示为该方法的流程图，包括如下步骤:
[0037]S1:采用初始化写脉冲操作相变存储器单元，在所述相变存储器单元中形成非晶区域;所述非晶区域大于相变存储器默认写脉冲产生的非晶区域；
[0038]S2:采用擦脉冲将所述相变存储器单元操作至低阻状态，使所述初始化写脉冲形成的非晶区域转化为面心立方晶粒区域；
[0039]S3:采用默认写脉冲操作所述相变存储器单元。
[0040]作为示例，所述初始化写脉冲及所述默认写脉冲均为电流脉冲，且所述初始化写脉冲的幅值高于所述默认写脉冲的幅值。所述擦脉冲需要能够使得非晶区域完全结晶，优选采用直流电流脉冲。
[0041]作为示例，请参阅图2，显示为本发明的相变存储器单元的写初始化方法中所使用的一种脉冲波形图。首先对相变存储器单元施加初始化写脉冲，由于所述初始化写脉冲的幅值高于所述默认写脉冲的幅值，因此在经过初始化写脉冲操作后，单元内部会形成一个大的非晶区域，该非晶区域比默认写脉冲产生的非晶区域要大。然后对相变存储器单元施加擦脉冲，该擦脉冲的脉宽足够充分将单元操作至低阻，即将初始化写脉冲形成的非晶区域充分结晶。当初始化写脉冲形成的非晶区域充分结晶后，该区域会转化成一个面心立方(FCC)晶粒的结晶区域。该FCC晶粒的结晶区域较未初始化之前的单元内部的FCC晶粒区域大，因而，在相同的写电流作用下，会产生一个更高的温度场分布，使得在相同写电流作用下，单元的熔融区域扩大，单元的写电阻提高。最后，对相变存储器单元施加默认写脉冲，该写脉冲为相变存储器默认的写脉冲，由于经过初始化，单元的FCC晶粒区域扩大，因而在默认写脉冲的作用下，其形成的非晶区域面积大于初始化之前形成的非晶区域面积，写电阻提尚O
[0042]具体的，可进一步测量相变存储器单元的写电阻Rl，并与初始化之前相变存储器单元的写电阻RO进行比较，若满足R1>R0，则初始化完成。若不满足R1>R0，则增加初始化写脉冲的幅值，并重复所述步骤S1-S3，直至写电阻达到目标写电阻。
[0043]本发明的相变存储器单元的写初始化方法利用高能量的初始化写电流对相变存储器单元内部不同晶粒的分布区域进行优化，实现降低相变存储器单元写电流，提高写电阻的功能。
[0044]实施例二
[0045]本发明还提供一种相变存储器阵列的写初始化方法，其采用实施例一中的相变存储器单元的写初始化方法对所述相变存储器阵列中需要进行写初始化的相变存储器单元进行写初始化操作。
[0046]由于对于相变存储器阵列，其中各个单元由于位置，工艺等因素的影响，在写操作的性能方面具有差异性。对于各单元是否需要写初始进行化存在差异性，另外对于阵列中需要初始化的各单元的初始化条件也存在差异性。因而，对于阵列的初始化应该针对各单元分别进行初始化，并设定相同的评估初始化效果的标准。设定的写电阻标准根据实际的写要求设定，一般要高于写电阻的读判断阈值。其中，读判断阈值用于在读操作时，通过与单元电阻进行比较来决定该单元的数据。当单元电阻高于读判断阈值时，读出数据为‘0’；否则，为‘I’。一般地，在进行写操作，即构造单元数据为‘0’时，构造的单元电阻需高于读判断阈值，且单元电阻越高，越有利于读操作准确读出数据。所以，本发明在进行写初始化时，为了留出相当的冗余，设定的写电阻标准一般高于读判断阈值。
[0047]作为示例，判断所述相变存储器单元是否需要进行写初始化包括如下步骤:
[0048]I)通过选址电路选择当前相变存储器单元；
[0049]2)采用默认写脉冲操作当前相变存储器单元，并采用读电路读取当前相变存储器单元的写电阻;所述默认写脉冲与相变存储器正常使用时使用的写电流具有相同的脉高、脉宽参数；
[0050]3)写过程结束后，将当前相变存储器单元的写电阻与目标写电阻进行比较;本实施例中，所述目标写电阻大于写电阻的读判断阈值；
[0051 ] 4)若当前相变存储器单元的写电阻大于目标写电阻，则当前相变存储器单元不需要进行写初始化;若当前相变存储器单元的写电阻小于目标写电阻，则当前相变存储器单元需要进行写初始化。
[0052]作为示例，判断出需要进行写初始化的存储器单元之后，采用渐进方式对需要进行写初始化的相变存储器单元进行写初始化，其中，后一次的初始化写脉冲幅度在前一次初始化写脉冲幅值的基础上增加一个增量；当相变存储器单元的写电阻达到目标写电阻，对该单元的写初始化完成，否则对该单元进行下一次初始化。其中，后一次初始化写电流相对于前一次初始化写电流的幅值增量一般为写驱动电路的写基准电流，也可根据实际电路进行调整。
[0053]之所以采用渐进方式，是因为各单元的初始化写电流未知，因而在选定初始化电流时，需要由小至大递增，并且通过默认的写脉冲产生的写电阻来评估对该单元的初始化是否完成。这样不仅能使得阵列各单元进过初始化后取得更加相近的写电阻，同时还能有效的避免在初始化过程中由于初始化电流过大而引起的“过写”现象。
[0054]作为示例，所述初始化写脉冲的初始值大于或等于所述默认写脉冲的幅值，优选为与默认写电流相当(不超过默认写电流的10%)。所述增量为写电路的写电流基准的整数倍，优选为等于写电路的写电流基准。因为一般的，写电流基准为写电流的最小调节单位，写电路通过倍乘写电流基准来实现写电流的产生。当在进行写初始化时，每次写初始化电流的增量应为写电流基准的倍数，倍数越大，初始化的速度越快，但是，由于增量较粗放，对一些单元可出现“过写”现象。为了避免“过写”，一般以写电流基准为增量。
[0055]当阵列中所有需要进行写初始化的相变存储器单元写初始化后，初始化结束。
[0056]作为示例，图3显示了本发明的相变存储器阵列的写初始化方法的一种实施流程图，包括如下步骤:
[0057]I)初始化开始；
[0058]2)通过选址电路选择当前进行初始化的相变存储器单元；
[0059]3)使用默认写脉冲对当前相变存储器单元进行操作，验证该单元是否需要进行初始化处理。在写过程结束后，使用读电路读取当前单元的写电阻；
[0060]4)将当前单元的写电阻与目标写电阻进行比较；
[0061]5)若当前单元的写电阻大于目标写电阻，该单元初始化不再需要进行初始化处理，则进行下一单元的初始化；
[0062]若当前单元的写电阻小于目标写电阻，对该单元进行初始化处理;首先，在前一次初始化写电流的基础上以一定的增量增大初始化写电流，并使用该初始化写脉冲对单元操作，然后，使用擦脉冲将单元操作至低阻状态，再进一步执行上述步骤3)，并往下进行，如此循环；
[0063 ] 6)当阵列所有的需要初始化的单元初始化后，初始化结束。
[0064]作为示例，图4显示为一块相变存储器阵列在经过写初始化处理前后的写电阻分布比较，其纵坐标为累积概率，横坐标为Log (Re s)。该相变存储器整列大小为4K bi ts。图中正方形所示的电阻分布为在进行初始化处理之前，由1.0mA，200ns的写脉冲产生的电阻分布。图中三角形所示的电阻分布为在在进行初始化处理之前，由1.3mA，200ns的写脉冲产生的电阻分布。可见，越大的写电流产生更高的且更加集中的电阻分布。而图中圆形所示的电阻分布为在进行初始化处理之后，由1.0mA，200ns的写脉冲产生的电阻分布。可见，在初始化处理前后，使用相同的1.0mA，200ns的写脉冲产生的电阻分布截然不同。经过初始化处理之后，相同的电流产生的电阻分布更高的且更加集中。另外，初始化处理之后使用1.0mA，200ns的写脉冲产生的电阻分布与初始化处理之前使用1.3mA，200ns的写脉冲产生的电阻分布基本相当。可见，在经过初始化处理之后，相变存储器阵列需要的写电流实现了降低。
[0065]综上所述，本发明的相变存储器单元的写初始化方法及其阵列的写初始化方法通过使用初始化写脉冲，对阵列各单元的FCC晶粒区域进行控制，可以有效提高阵列平均写电阻，降低写电流，同时使得相变存储阵列的电阻分布更加集中。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。
[0066]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。
【主权项】
1.一种相变存储器单元的写初始化方法，其特征在于，包括如下步骤: S1:采用初始化写脉冲操作相变存储器单元，在所述相变存储器单元中形成非晶区域；所述非晶区域大于相变存储器默认写脉冲产生的非晶区域； S2:采用擦脉冲将所述相变存储器单元操作至低阻状态，使所述初始化写脉冲形成的非晶区域转化为面心立方晶粒区域； S3:采用默认写脉冲操作所述相变存储器单元。2.根据权利要求1所述的相变存储器单元的写初始化方法，其特征在于:所述初始化写脉冲及所述默认写脉冲均为电流脉冲，且所述初始化写脉冲的幅值高于所述默认写脉冲的幅值。3.根据权利要求1所述的相变存储器单元的写初始化方法，其特征在于:所述擦脉冲为直流电流脉冲，其使所述初始化写脉冲形成的非晶区域完全结晶。4.根据权利要求1所述的相变存储器单元的写初始化方法，其特征在于:于所述步骤S3中，进一步测量相变存储器单元的写电阻Rl，并与初始化之前相变存储器单元的写电阻RO进行比较，若满足Rl >R0，则初始化完成。5.根据权利要求4所述的相变存储器单元的写初始化方法，其特征在于:若不满足Rl>RO，则增加初始化写脉冲的幅值，并重复所述步骤S1-S3。6.—种相变存储器阵列的写初始化方法，其特征在于:采用如权利要求1-5任意一项所述的写初始化方法对所述相变存储器阵列中需要进行写初始化的相变存储器单元进行写初始化操作。7.根据权利要求6所述的相变存储器阵列的写初始化方法，其特征在于:判断所述相变存储器单元是否需要进行写初始化包括如下步骤: 通过选址电路选择当前相变存储器单元； 采用默认写脉冲操作当前相变存储器单元，并采用读电路读取当前相变存储器单元的写电阻； 将当前相变存储器单元的写电阻与目标写电阻进行比较； 若当前相变存储器单元的写电阻大于目标写电阻，则当前相变存储器单元不需要进行写初始化;若当前相变存储器单元的写电阻小于目标写电阻，则当前相变存储器单元需要进行写初始化。8.根据权利要求7所述的相变存储器阵列的写初始化方法，其特征在于:所述目标写电阻大于写电阻的读判断阈值。9.根据权利要求6所述的相变存储器阵列的写初始化方法，其特征在于:采用渐进方式对需要进行写初始化的相变存储器单元进行写初始化，其中，后一次的初始化写脉冲幅度在前一次初始化写脉冲幅值的基础上增加一个增量；当相变存储器单元的写电阻达到目标写电阻，对该单元的写初始化完成，否则对该单元进行下一次初始化。10.根据权利要求9所述的相变存储器阵列的写初始化方法，其特征在于:所述初始化写脉冲的初始值大于或等于所述默认写脉冲的幅值。11.根据权利要求9所述的相变存储器阵列的写初始化方法，其特征在于:所述增量为写电路的写电流基准的整数倍。12.根据权利要求6所述的相变存储器阵列的写初始化方法，其特征在于:当阵列中所有需要进行写初始化的相变存储器单元写初始化后，初始化结束。
【文档编号】G11C13/00GK105869671SQ201610178596
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月25日
【发明人】王月青, 蔡道林, 陈 峰, 陈一峰, 宋志棠, 魏宏阳, 霍如如
【申请人】中国科学院上海微系统与信息技术研究所