专利名称：驱动相变存储设备的方法
技术领域：
符合本发明的实施例涉及驱动相变存储设备的方法，更具体地，涉及在 使用相变电阻单元的非易失性存储设备中有效控制设置/重置电流的技术。
背景技术：
包括磁存储器和相变存储器(PCM)的非易失性存储器具有与易失性随 机存取存储器(RAM)相似的数据处理速度。但是，与易失性RAM相反， 非易失性存储器即使在关断电源以后也可以保存数据。
图la和lb是示出传统相变电阻器(PCR) 4的图。
PCR 4包括插入在上端电极1和下端电极3之间的相变材料(PCM ) 2。 当向PCR4施加电压和电流时，在PCM2中产生高温，以使得PCR4的导 电状态根据PCM 2的电阻而改变。PCM 2可以包括AgLnSbTe。 PCM 2也可 以包括具有硫族元素(S、 Se、 Te )的硫化物作为主要成分，例如，由Ge-Sb-Te 组成的锗锑碲。
图2a和2b是示出传统PCR4的工作原理的图。
如图2a中所示，当小于阈值的低电流流过PCR4时，PCM2可以被结 晶化。结果，PCM2被结晶从而变为低电阻材料。
如图2b中所示，当大于阈值的高电流流过PCR4时，PCM2具有高于 其熔点的温度。结果，PCM2变为非晶相的高电阻材料。
这样，PCR4被配置为存储与两个电阻状态对应的非易失性数据。数据 "1"指PCR4的低电阻状态，数据"0"指PCR4的高电阻状态，使得可以 存储两种数据类型的逻辑状态。
图3是示出传统相变电阻单元的写操作的图。
当电流流过PCR4的上端电极1和下端电极3 —#爻给定时间时，产生热 量。结果，PCM2的状态根据施加到上端电极1和下端电极3的电流量而变 为晶态或非晶态。
当低电流在上端电极1和下端电极3之间流过一段给定时间时，通过低 温加热状态，PCM2变为晶态，以使得具有低电阻的PCR4处于设置状态。 另一方面，当高电流在上端电极1和下端电极3之间流过一段给定时间时， 通过高温加热状态，PCM2变为非晶态，以使得具有高电阻的PCR4处于重 置状态。可以通过PCR 4的电阻的改变来区分这两个相。
向PCR4长时间施加低电压，以使得在写模式下写入设置状态。另一方 面，向PCR4短时间施加高电压，以使得在写模式下写入重置状态。
为了将重置状态写入到相变电阻单元中，使用高泵浦电压(pumping voltage)VPP作为写电压。使用芯片中的升压电路来产生泵浦电压VPP。
但是，在传统的重置电压施加方法中，从操作的初始阶段起就在写模式 下施加泵浦电压VPP。结果，泵浦电压VPP的产生消耗了大量的功率。
发明内容
公开了 一种用于驱动相变存储设备的方法，以利用降低的电功率来控制 重置电流。
各个实施例的目的在于减小升压电路的面积并降低相变存储设备的功 率消耗。
根据符合本发明的一个实施例，公开了 一种用于驱动包括相变电阻器的 相变存储设备的方法。该方法包括向该相变电阻器施加触发电压第一写时 间，以预热该相变电阻器；向该相变电阻器施加第一写电压第二写时间，以 将该相变电阻器控制在第 一状态；以及向该相变电阻器施加第二写电压第三 写时间，以将该相变电阻器控制在第二状态。
根据符合本发明的另 一实施例，公开了 一种用于驱动包括相变电阻单元 的相变存储设备的方法，该相变电阻单元位于字线和位线的交点处。该方法 包括对于第一写时间，向该字线施加4妄地电压，并向该位线施加触发电压， 以预热该相变电阻单元；以及对于第二写时间，向该字线施加接地电压，并 向该位线施加第 一写电压，以向该相变电阻单元提供设置电流。
根据符合本发明的又一实施例，公开了 一种用于驱动包括相变电阻器的相变存储设备的方法。该方法包括向该相变电阻器施加触发电压第一写时
间，以预热该相变电阻器；向该相变电阻器施加第一写电压第二写时间，以
将该相变电阻器控制在第一状态，该第一写电压在该第二写时间期间以逐步
方式降低；以及向该相变电阻器施加第二写电压第三写时间，以将该相变电 阻器控制在第二状态。
根据符合本发明的再一实施例，公开了 一种用于驱动包括相变电阻单元 的相变存储设备的方法，该相变电阻单元位于字线和位线的交点处。该方法 包括对于第一写时间，向该字线施加接地电压，并向该位线施加触发电压， 以预热该相变电阻单元；对于第二写时间，向该字线施加接地电压，并向该 位线施加第一写电压，以向该相变电阻单元提供设置电流；对于第三写时间， 向该字线施加接地电压，并向该位线施加j氐于该第一写电压的电压，该低于 第一写电压的电压在第三写时间期间以逐步的方式降低；以及向该字线施加 电源电压，并向该位线施力W矣地电压。
图la和lb是示出传统相变电阻器的两个工作状态的图。
图2a和2b是示出传统相变电阻器的工作原理的图。
图3是示出传统相变电阻单元的写操作的图。
图4是示出符合本发明的相变存储器的图。
图5是示出符合本发明的用于驱动相变存储设备的方法的图。
图6是图5的设置模式写操作的波形图。
图7是示出符合本发明的用于驱动相变存储设备的方法的图。
图8是图7的设置模式写操作的波形图。
图9是符合本发明的相变存储设备的重置模式写操作的波形图。
附图中每个元件符号说明 C:单位单元 BL:位线 WL:字线 PCR:相变电阻器 D: 二极管
S/A:读出放大器 W/D:写驱动单元
具体实施例方式
图4是示出了符合本发明的相变存储器的图。
如图4所示，相变存储设备包括位于多条位线BL0 BLn和多条字线 WL0~ WLn的交点处的多个单位单元C。单位单元C可以包括相变电阻器 PCR和二极管D。 二极管D可以包括PN 二极管元件。
相变电阻器PCR具有连接到字线WL的第一电极和连接到二极管D的 N型区的第二电极。相变电阻器PCR可以包括位于第一电极和第二电极之 间的区域中的相变材料。此外，二极管D的P型区连接到位线BL。
在读模式中，可以向被选字线WL施加低电压。可以向位线BL施加读 电压Vread，以使得具有设置状态的读电流Iset或具有重置状态的读电流 Ireset可以经过位线BL、 二极管D和相变电阻器PCR流向字线WL。
读出放大器S/A读出经过位线BL传输的单元数据，并将该单元数据与 参考电压(ref)相比较，以区分数据"1"和数据"0"。当数据被写入单位 单元C时，写驱动单元W/D将与写数据对应的驱动电压提供给位线BL。读 出放大器S/A和写驱动单元W/D连接到数据总线DB。
由于当电流在相变电阻器PCR的第一电极和第二电极之间流动一段给 定时间时会产生热量，周此相变材料PCM可以根据第一电极和第二电极之 间的温度而变相，例如，从晶态变为非晶态，反之亦然。
在写模式下，在初始阶段，向相变电阻单元施加用于写设置状态的工作 电压。也就是说，当低电流流过相变电阻器PCR—段给定的写时间WT2时， 相变材料PCM可以被由该低电流所产生的低热量加热，并变为晶态。结果， 作为低电阻的电阻器的相变电阻器PCR被加热到设置温度。
在写模式的初始阶段，可以向相变电阻器PCR施加高电压VPP1 —段给 定写时间WT1，从而预热相变电阻器PCR。高电压VPP1与触发电压对应， 因而具有高于电源电压VDD的电压电平并低于泵浦电压VPP2的电压电平 的电压电平。在写时间WT1之后，向相变电阻器PCR施加电源电压VDD 一4殳给定时间WT2。
用于写设置状态的写电压使用外部电压或较低的电压，以降低产生写电 压时的功率消耗。
也就是说，在用于写设置状态的初始阶段，向相变电阻器PCR施加可
以将相变电阻器PCR加热到相变材料PCM的熔化温度之上的高电压VPPl 。 在这种情况下，电流增加，而相变电阻器PCR的电阻值则减小。结果，当 向相变电阻器PCR施加作为触发电压的高电压VPP1 —段写时间WT1以预 热相变电阻器PCR时，在低电流的情况下施加具有设置状态的写电压，以 产生高热量。
当向相变电阻器PCR施加用于写设置状态的工作电压以加热相变电阻 器PCR时，向相变电阻器PCR施加泵浦电压VPP2以提高写电压，从而达 到重置温度。
写电压提高到高电压VPP1和电源电压VDD电平一段发送具有设置状 态的写电压所需的写时间(WT1+WT2)。结果，利用具有设置状态的、被升 压到给定电压电平之上的写电压VPP1和VDD来升压泵浦电压VPP2。
当向相变电阻器PCR施加具有重置状态的写电压时，写电压从电源电 压VDD电平升高到泵浦电压VPP2电平。结果，能够控制较短的写时间WT3, 以施加具有泵浦电压VPP2电平的重置脉冲。该写电压从电源电压VDD电 平增加到泵浦电压VPP2电平，从而降低了用于产生泵浦电压VPP2的功率 消耗。
当高电流流过相变电阻器PCR —段写时间WT3时，相变材料PCM可 以通过高加热状态变为晶态，以使得具有高电阻的相变电阻器PCR处于重
也就是说，在写模式下，向相变电阻器PCR施加低电压，以在初始阶 段写设置状态一段写时间(WT1+WT2)。为了在写模式下写重置状态，向相 变电阻器PCR施加高电压一l殳写时间WT3。
具有设置状态的写电压的波形先于具有重置状态的写电压的波形被禁 止。施加具有设置状态的写电压所需的写时间(WT1+WT2)比施加具有重 置状态的写电压所需的写时间WT3长。
为了向相变电阻器PCR写入设置/重置状态，高电压VPP1和泵浦电压 VPP2用作写电压。高电压VPP1和泵浦电压VPP2使用芯片中的升压电路来 泵浦电源电压VDD。
图6是图5的设置模式写操作的波形图。
在时间段t0中，保持字线WL处于电源电压VDD电平，保持位线BL 处于接地电压VSS电平。结果，在相变电阻单元C中不形成电流通路。
在时间段tl中，字线WL从电源电压VDD电平转变为接地电压VSS 电平。位线BL乂人接地电压VSS电平转变为高电压VPP1电平。
当电压电平转变到高电压VPP1电平时，例如位线BL0的电压电平与其 它位线BLl BLn的电压电平同步，以4吏得通过位线BL、 二极管D和相变 电阻器PCR形成电流通路。结果，设置电流Iset流过字线WL。
在时间段t2中，保持字线WL处于接地电压VSS电平。位线BL从高 电压VPP1电平转变为电源电压VDD电平。
当电压电平转变到电源电压VDD电平时，例如位线BL0的电压电平与 其它位线BLl-BLn的电压电平同步，以使得通过位线BL、 二极管D和相 变电阻器PCR形成电流通路。结果，设置电流Iset流过字线WL。
在时间段t3中，保持字线WL处于接地电压VSS电平。位线BL从电 源电压VDD电平转变为接地电压VSS电平。
将设置电流Iset的流动控制为与位线电流的禁止时间同步。也就是说， 当设置电流Iset在相变电阻单位单元C中流动时，设置电流Iset与位线电流 同步。
结果，设置电流Iset被限制为具有低值，以降低相变电阻单位单元C的 温度下降速度，以使得能够具有足够的加热时间，直到相变电阻器在低加热 状态下变为晶态。
在时间段t4中，字线WL从接地电压VSS电平转变为电源电压VDD 电平。保持位线BL处于接地电压VSS电平。结果，字线WL转变为电源电 压VDD电平，以断开相变电阻单位单元C的电流通路。
图7是示出符合本发明的用于驱动相变存储设备的方法的图。
在写模式下，在初始阶段，向相变电阻单位单元C施加用于写设置状态 的工作电压。也就是说，为了加热相变电阻器PCR,写电压流过相变电阻器 PCR—段给定时间WT4。在写模式的初始阶段，向相变电阻器PCR施加作 为写电压的高电压VPP1，以预热相变电阻器PCR。
与触发电压对应的高电压VPP1具有比电源电压VDD的电平高且比泵 浦电压VPP2的电平4氐的电平。 在写时间WT4之后，逐步降低的电流流过相变电阻器PCR—段给定写 时间WT5，以加热相变电阻器PCR，以使得相变材料PCM通过低加热状态 变为晶态。
在写时间WT5期间向相变电阻器PCR施加低于高电压VPP1的电源电 压VDD —段给定时间之后，向相变电阻器PCR施加低于电源电压VDD的 电压。结果，作为低电阻的电阻器的相变电阻器PCR被加热到设置温度。
用于写设置状态的写电压使用外部电压或较低电压，从而降低了产生写 电压时的功率消耗。
向相变电阻器PCR施加用于写"i殳置状态的工作电压，以加热相变电阻 器PCR。在写时间WT4之后，向相变电阻器PCR施加泵浦电压VPP2,以 才是高写电压，从而达到重置温度。
在施加具有设置状态的写电压所需的写时间WT4期间，写电压被升高 到高电压VPP1电平。结果，利用具有设置状态的、被升高到给定电压电平 之上的写电压VPP1来升高泵浦电压VPP2。
当向相变电阻器PCR施加具有重置状态的写电压时，写电压从高电压 VPP1电平增加到泵浦电压VPP2电平，以使得用于发送处于泵浦电压VPP2 电平的重置脉沖的写时间WT6可以;故控制为较短。写电压A/v高电压VPP1 电平增加到泵浦电压VPP2电平，因而降低了产生泵浦电压VPP2所需的功 率消耗。
当在写时间WT6期间高电流流过相变电阻器PCR时，相变材料PCM 通过高加热状态变为非晶态，以使得相变电阻器PCR被重置。结果，可以 通过相变电阻器PCR的电阻的变化来区分这两相。
为了在写模式的初始阶段写重置状态，向相变电阻器PCR施加低电压
一段写时间(WT4+WT5)。为了在写模式下写重置状态，向相变电阻器PCR 施加高电压一段较短的写时间WT6。
具有设置状态的写电压的波形先于具有重置状态的写电压的波形被禁 止。具有设置状态的写电压的波形逐步变低。具有设置状态的写电压的写时 间(WT4+WT5)比具有重置状态的写电压的写时间WT6长。
为了向相变电阻器PCR写入设置/重置状态，高电压VPP1和泵浦电压 VPP2用作写电压。高电压VPP1和泵浦电压VPP2使用芯片中的升压电路来 泵浦电源电压VDD。
图8是图7的设置模式写操作的波形图。
在时间段t0中，保持字线WL处于电源电压VDD电平，保持位线BL 处于接地电压VSS电平。结果，在相变电阻单位单元C中不形成电流通路。
在时间段tl中，字线WL从电源电压VDD电平转变为接地电压VSS 电平。位线BL从接地电压VSS电平转变为高电压VPP1电平。
当电压电平从接地电压VSS电平转变到高电压VPP1电平时，例如位线 BLO的电压电平与其它位线BLl~BLn的电压电平同步，以使得通过位线 BL、 二;f及管D和相变电阻器PCR形成电流通路。结果，i殳置电流Iset流过 字线WL。
在时间段t2中，保持字线WL处于接地电压VSS电平。位线BL从高 电压VPP1电平转变为电源电压VDD电平。
当电压电平转变到电源电压VDD电平时，例如位线BLO的电压电平与 其它位线BL1-BLn的电压电平同步，以使得通过位线BL、 二极管D和相 变电阻器PCR形成电流通路。结果，设置电流Iset流过字线WL。
在时间段t3中，保持字线WL处于接地电压VSS电平。位线BL从电 源电压VDD电平逐步转变为低于电源电压VDD电平的电压电平。位线BL 中的波形先于字线WL的波形被禁止。位线BL具有逐步转变为较低电压的 步进波形。
将设置电流Iset的流动控制为与位线电流的禁止时间同步。也就是说， 当设置电流Iset在相变电阻单位单元C中流动时，设置电流Iset与位线电流 同步。
结果，设置电流Iset被限制为具有低值，以降低相变电阻单位单元C的 温度下降速度，以使得能够具有足够的加热时间，直到相变电阻器PCR在 低加热状态下变为晶态。
在时间段t4中，字线WL从接地电压VSS电平转变为电源电压VDD 电平。保持位线BL处于接地电压VSS电平。结果，字线WL转变为电源电 压VDD电平，以断开相变电阻单位单元C的电流通路。
图9是符合本发明的相变存储设备的重置模式写操作的波形图。
在时间段tO中，保持字线WL处于电源电压VDD电平，保持位线BL 处于接地电压VSS电平。结果，在相变电阻单位单元C中不形成电流通路。
在时间段tl中，字线WL从电源电压VDD电平转变为接地电压VSS电平。位线BL乂人接地电压VSS电平转变为高电压VPP1电平。
当电压电平转变到高电压VPP1电平时，例如位线BL0的电压电平与其 它位线BLl BLn的电压电平同步，以4吏得通过位线BL、 二极管D和相变 电阻器PCR形成电流通路。结果，设置电流Iset流过字线WL。
在时间段t2中，保持字线WL处于接地电压VSS电平。位线BL从高 电压VPP1电平转变为电源电压VDD电平。
当电压电平转变到电源电压VDD电平时，例如位线BL0的电压电平与 其它位线BLl BLn的电压电平同步，以使得通过位线BL、 二极管D和相 变电阻器PCR形成电流通路。结果，设置电流Iset流过字线WL。
在时间段t3中，保持字线WL处于接地电压VSS电平。位线BL从电 源电压VDD电平转变为泵浦电压VPP2电平。
也就是说，当向相变电阻器PCR施加用于写设置状态的工作电压VDD 以足够加热相变电阻器PCR时，向相变电阻器PCR施加泵浦电压VPP2以 增加写电压，从而达到重置温度。
在时间段t3和t4中，当高电流流过时，相变材料PCM通过高加热状态 变为非晶态，以使得作为高电阻的电阻器的相变电阻器PCR处于重置状态。
在时间段t4中，字线WL从接地电压VSS电平转变为电源电压VDD 电平。保持位线BL处于泵浦电压VPP2电平。结果，字线WL转变为电源 电压VDD电平，以断开相变电阻单位单元C的电流通路。
在时间段t5中，保持字线WL处于电源电压VDD电平，位线BL从泵 浦电压VPP2电平转变为接地电压VSS电平。
如上所述，符合本发明的方法能够4吏用设置/重置驱动电压控制重置电流 具有小的电功率，以减小升压电路的面积并降低功率消耗。
尽管对符合本发明的多个示范性实施例进行了描述，但应当理解，本领 域技术人员可以做出许多其它的修改和实施例，这些均落入所附权利要求的 精神和范围内。此外，在主题组合的组成部分和/或布置上也可以有多种变化 和修改。除了组成部分和/或布置上的变化和修改之外，可替换的应用对本领 域技术人员也是显而易见的。
权利要求
1、一种用于驱动包括相变电阻器的相变存储设备的方法，该方法包括向该相变电阻器施加触发电压第一写时间，以预热该相变电阻器；向该相变电阻器施加第一写电压第二写时间，以将该相变电阻器控制在第一状态；以及向该相变电阻器施加第二写电压第三写时间，以将该相变电阻器控制在第二状态。
2、 根据权利要求1所述的方法，其中，该触发电压具有高于该第一写 电压的电压电平且低于该第二写电压的电压电平的电压电平。
3、 根据权利要求1所述的方法，其中，该第一写电压具有电源电压电平。
4、 根据权利要求1所述的方法,平。
5、 根据权利要求1所述的方法, 写电压的电压电平的电压电平。
6、 根据权利要求1所述的方法, 的和长于该第三写时间。
7、 根据权利要求1所述的方法,间。
8、 根据权利要求1所述的方法，
9、 根据权利要求1所述的方法，其中，该第二写电压具有泵浦电压电其中，该第二写电压具有高于该第一其中，该第一写时间和该第二写时间其中，该第二写时间长于该第一写时其中，该第一状态是设置状态。 其中，该第二状态是重置状态。
10、 一种用于驱动包括相变电阻单元的相变存储设备的方法，该相变电 阻单元位于字线和位线的交点处，该方法包括对于第一写时间，向该字线施力。接地电压，并向该位线施加触发电压， 以预热该相变电阻单元；以及对于第二写时间，向该字线施加接地电压，并向该位线施加第一写电压，以向该相变电阻单元提供设置电流。
11、 根据权利要求IO所述的方法，还包括对于第三写时间，向该字线施加接地电压，并向该位线施加第二写电压， 以向该相变电阻单元提供重置电流。
12、 根据权利要求11所述的方法，还包括 向该字线施加电源电压，并向该位线施加第二写电压；以及 向该字线施加电源电压，并向该位线施加4妾地电压。
13、 根据权利要求12所述的方法，其中，该触发电压具有高于该电源 电压的电平且低于该第二写电压的电平的电平。
14、 根据权利要求IO所述的方法，其中，该第一写电压具有电源电压 电平。
15、 根据权利要求10所述的方法，其中，该第二写时间长于该第一写 时间。
16、 一种用于驱动包括相变电阻器的相变存储设备的方法，该方法包括 向该相变电阻器施加触发电压第一写时间，以预热该相变电阻器；向该相变电阻器施加第 一写电压第二写时间，以将该相变电阻器控制在 第一状态，该第一写电压在该第二写时间期间以逐步方式降低；以及向该相变电阻器施加第二写电压第三写时间，以将该相变电阻器控制在 第二状态。
17、 根据权利要求16所述的方法，其中，该触发电压具有高于该第一 写电压的电压电平且低于该第二写电压的电压电平的电压电平。
18、 根据权利要求16所述的方法，其中，该第一写电压具有电源电压 电平。
19、 根据权利要求16所述的方法，其中，该第二写电压具有泵浦电压 电平。
20、 根据权利要求16所述的方法，其中，该第二写电压具有高于该第 一写电压的电压电平的电压电平。
21、 根据权利要求16所述的方法，其中，该第一写时间和该第二写时间的和长于该第三写时间。
22、 一种用于驱动包括相变电阻单元的相变存储设备的方法，该相变电 阻单元位于字线和位线的交点处，该方法包括对于第一写时间，向该字线施加4妄地电压，并向该位线施加触发电压，以预热该相变电阻单元；对于第二写时间，向该字线施加4矣地电压，并向该位线施加第一写电压，以向该相变电阻单元提供设置电流；对于第三写时间，向该字线施加冲妄地电压，并向该位线施加j氐于该第一 写电压的电压，该低于第一写电压的电压在第三写时间期间以逐步的方式降4氐；以及向该字线施加电源电压，并向该位线施加接地电压。
23、 根据权利要求22所述的方法，还包括对于第四写时间，向该字线施加接地电压，并向该位线施加第二写电压， 以向该相变电阻单元提供重置电流。
24、 根据权利要求23所述的方法，还包括 向该字线施加电源电压，并向该位线施加第二写电压；以及 向该字线施加电源电压，并向该位线施加接-地电压。
25、 根据权利要求22所迷的方法，其中，该触发电压具有高于该电源 电压的电平且低于该泵浦电压的电平的电平。
全文摘要
公开了一种用于驱动包括相变电阻器的相变存储设备的方法。该方法包括向该相变电阻器施加触发电压第一写时间，以预热该相变电阻器；向该相变电阻器施加第一写电压第二写时间，以控制该相变电阻器的第一状态；以及向该相变电阻器施加第二写电压第三写时间，以控制该相变电阻器的第二状态。
文档编号G11C11/56GK101354912SQ20081012705
公开日2009年1月28日 申请日期2008年6月19日 优先权日2007年7月24日
发明者姜熙福, 洪锡敬 申请人:海力士半导体有限公司