專利名稱：低電流和高速相變存儲設(shè)備及用于驅(qū)動這種設(shè)備的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及相變存儲器，其使用通過例如把硫?qū)俨牧细淖優(yōu)榉蔷w/晶體狀態(tài)而產(chǎn)生的電阻變化。
背景技術(shù)：
相變存儲器是一種使用由硫?qū)俨牧纤纬傻南嘧儗觼磉M(jìn)行工作的設(shè)備，其具有根據(jù)其相態(tài)而變化的電阻。在典型的相變存儲器中，焦耳熱用作致使相態(tài)變化的熱源。圖1示出了現(xiàn)有相變存儲單元陣列。
如圖1所示，現(xiàn)有相變存儲單元通常包括單元晶體管CTR，其具有連接至字線WL的柵，以及相變存儲單元PPC和晶體管R，它們在單元晶體管CTR的漏極與位線BL之間串聯(lián)連接。如果選擇字線WL和位線BL，則向?qū)?yīng)于所選擇的字線WL和位線BL的所選擇的相變存儲單元PCC施加電流，以改變相變存儲單元PCC的相態(tài)。
圖2A示出了現(xiàn)有相變存儲器的工作原理。參考圖2A，通過觸點(diǎn)10向相變層20施加若干微秒的大約2mA～3mA的高電流脈沖，以把相變層20加熱至熔點(diǎn)溫度Tm。通過在中斷電流脈沖之后立即冷卻相變層20的方式，在相變層20與觸點(diǎn)10之間的接觸部分上形成高電阻的完全非晶體編程區(qū)30。在這種情況中，相變存儲單元處于“復(fù)位”狀態(tài)，其被定義為例如數(shù)據(jù)“1”的存儲。
如果通過觸點(diǎn)10向相變層20施加若干微秒的大約1mA～2mA的電流脈沖并且之后再次進(jìn)行冷卻，則完全非晶體編程區(qū)30結(jié)晶并且相變層20的電阻再次降低。在這種情況中，相變存儲單元處于“置位”狀態(tài)，其被定義為例如數(shù)據(jù)“0”的存儲。
圖2B是關(guān)于圖2A的相變存儲單元的電阻與電流的關(guān)系。即，把施加給相變層20的電流增大至大約0.4mA～大約0.38mA，并且測量相變層的電阻中的變化。參考圖2B，曲線(a)表示相變存儲單元初始處于具有大約300kΩ的復(fù)位電阻R復(fù)位的復(fù)位狀態(tài)的情況。當(dāng)電流從1mA達(dá)到2mA時，電阻明顯地降低至大約3kΩ。因此，在1mA～2mA的電流范圍中，相變存儲單元從復(fù)位狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹梦粻顟B(tài)。因此，置位電阻R置位為大約3kΩ且其實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變至置位狀態(tài)的置位電流I置位為大約1mA～2mA。曲線(b)表示相變存儲單元初始處于具有置位電阻R置位的置位狀態(tài)的情況。當(dāng)電流從大約2mA增大至3mA時，電阻增大至大約300kΩ。因此，相變存儲單元從置位狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)位狀態(tài)。I復(fù)位為大約2mA～3mA。
為了讀出存儲的數(shù)據(jù)，向相變存儲單元供應(yīng)其小于電流I復(fù)位和I置位的電流或施加一電壓，然后檢測電阻的變化。如圖2B所示，復(fù)位電阻與置位電阻的切換比例可能為100或更多。在現(xiàn)有相變存儲器中，分別到完全非晶體狀態(tài)或晶體狀態(tài)的轉(zhuǎn)變需要施加若干毫安培的高電流I復(fù)位或I置位，并且可以使用由相變而導(dǎo)致的電阻的更大變化來讀出或存儲數(shù)據(jù)。在這種情況中，所需的電流可能大到足以致使單元晶體管中出現(xiàn)過熱，其可能是生產(chǎn)高集成存儲設(shè)備的嚴(yán)重障礙。
同樣，對于現(xiàn)有相變存儲器，通常需要大約若干微秒的周期來轉(zhuǎn)變至復(fù)位或置位狀態(tài)，從而降低了相變存儲器的運(yùn)行速度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例旨在通過向相變存儲單元的相變層施加大約10毫微秒～大約100毫微秒周期的大約十微安培～幾百微安培的復(fù)位電流來把復(fù)位狀態(tài)寫為高電阻狀態(tài)以及通過向相變層施大約10毫微秒～大約100毫微秒周期的大約幾十微安培的置位電流來把置位狀態(tài)寫為低電阻狀態(tài)的方式來創(chuàng)建相變存儲器的狀態(tài)。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，置位電流為大約30微安培～大約50微安培，且復(fù)位電流為大約60微安培～大約200微安培。相變層的復(fù)位電阻可以為大約6kΩ～大約20kΩ。復(fù)位電阻與置位電阻的比例可以為大約1.5～大約3。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，復(fù)位電流或置位電流的每個上升時間和下降時間為大約1毫微秒～大約4毫微秒。施加給相變層的用于讀出復(fù)位和/或置位狀態(tài)的電流可以為大約3μA～大約6μA且讀出復(fù)位和/或置位狀態(tài)所需的時間可以為大約5毫微秒～大約10毫微秒。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，通過向存儲單元的晶體相變層施加大約30μA～大約50μA的置位電流來寫入置位狀態(tài)以及通過向該相變層施加大約60μA～大約200μA的復(fù)位電流來寫入復(fù)位狀態(tài)的方式來驅(qū)動相變存儲器。復(fù)位狀態(tài)被定義為相變層的電阻大于置位中的電阻的狀態(tài)。相變層中的復(fù)位電阻與置位電阻的比例可以為大約1.5～大約3。用于讀出復(fù)位狀態(tài)和/或置位狀態(tài)的電流可以為大約3μA～大約6μA，且讀出復(fù)位狀態(tài)和/或置位狀態(tài)所需的時間可以為大約5毫微秒～大約10毫微秒。寫入復(fù)位狀態(tài)和/或置位狀態(tài)所需的時間可以為大約10毫微秒～大約100毫微秒。相變層的復(fù)位電阻可以為大約6kΩ～大約20kΩ且相變層的置位電阻可以為大約4kΩ～大約6kΩ。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，相變存儲器包括第一電極觸點(diǎn)、在第一電極觸點(diǎn)上的相變層以及在相變層上的第二電極觸點(diǎn)。置位狀態(tài)是在具有大約4kΩ～6kΩ的置位電阻的相變層中形成非晶體核(amorphous nuclei)的狀態(tài)，且復(fù)位狀態(tài)是非晶體核的數(shù)量和密度大于置位狀態(tài)且具有大約6kΩ～20kΩ的復(fù)位電阻的狀態(tài)。用于在相變層上寫入復(fù)位狀態(tài)和/或置位狀態(tài)的電流可以為大約10μA～大約200μA，且從相變層寫入復(fù)位狀態(tài)和/或置位狀態(tài)所需的周期可以為大約10毫微秒～大約100毫微秒。在特定實(shí)施例中，用于在相變層中寫入置位狀態(tài)的電流可以為大約30μA～大約50μA，且用于在相變層中寫入復(fù)位狀態(tài)的電流可以為大約60μA～大約200μA。電流向其施加以在相變層中寫入復(fù)位和置位狀態(tài)的第一電極觸點(diǎn)的直徑可以為大約40毫微米～大約70毫微米。
在本發(fā)明的特定實(shí)施例中，用于在相變層中寫入復(fù)位狀態(tài)和/或置位狀態(tài)的上升時間和下降時間為大約1毫微秒～大約4毫微秒。用于讀出復(fù)位狀態(tài)和/或置位狀態(tài)的電流可以為大約3μA～大約6μA，且讀出復(fù)位狀態(tài)和/或置位狀態(tài)所需的時間可以為大約5毫微秒～大約10毫微秒。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，可相變存儲設(shè)備包括相變存儲單元和感測放大器電路，其被安置來檢測從與相變存儲單元的第一狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的第一電阻到與相變存儲單元的第二狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的第二電阻的相變存儲單元的電阻中的變化，第二電阻是第一電阻的大約1.5～大約3倍。例如，第一電阻可以為大約4kΩ～大約6kΩ，且第二電阻可以為大約6kΩ～大約20kΩ。
可相變存儲設(shè)備還可以包括置位電流源，其被安置來向相變存儲單元提供大約30μA～大約50μA的置位寫入電流?？梢韵蛳嘧兇鎯卧峁┐蠹s10毫微秒～大約100毫微秒的置位寫入電流?？上嘧兇鎯υO(shè)備還可以包括復(fù)位電流源，其被安置來向相變存儲單元提供大約60μA～大約200μA的復(fù)位寫入電流?？梢韵蛳嘧兇鎯卧峁┐蠹s10毫微秒～大約100毫微秒的復(fù)位寫入電流。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，相變存儲器包括第一和第二電極觸點(diǎn)以及在第一與第二電極觸點(diǎn)之間的相變層。相變層在與相變層與第一電極之間的界面相鄰的區(qū)域中提供第一狀態(tài)，其通過晶體矩陣的第一數(shù)量的非晶體核而創(chuàng)建。相變層還可以在與相變層與第一電極之間的界面相鄰的區(qū)域中提供第二狀態(tài)，其通過晶體矩陣的第二數(shù)量的非晶體核而創(chuàng)建，第二數(shù)量大于第一數(shù)量。第一數(shù)量的非晶體核與第二數(shù)量的非晶體核可以提供大約1.5～大約3的相變層的電阻比例。相變層的第一狀態(tài)可以提供大約4kΩ～大約6kΩ的相變層的電阻，且相變層的第二狀態(tài)可以提供大約6kΩ～大約20kΩ的相變層的電阻。
在本發(fā)明的特定實(shí)施例中，用于在相變層上寫入第一狀態(tài)或第二狀態(tài)的電流為大約10μA～大約200μA，且從相變層寫入第一狀態(tài)或第二狀態(tài)所需的周期為大約10毫微秒～大約100毫微秒。例如，在相變層中寫入第一狀態(tài)所需的電流可以為大約30μA～大約50μA，且在相變層中寫入第二狀態(tài)所需的電流可以為大約60μA～大約200μA。電流向其施加以在相變層中寫入第一和第二狀態(tài)的第一電極觸點(diǎn)的直徑可以為大約40毫微米～大約70毫微米。用于讀出第一狀態(tài)和/或第二狀態(tài)的電流可以為大約3μA～大約6μA，且讀出第一狀態(tài)和/或第二狀態(tài)所需的時間可以為大約5毫微秒～大約10毫微秒。


圖1是現(xiàn)有相變存儲單元陣列的視圖；圖2A是示出了現(xiàn)有相變存儲器的復(fù)位和置位原理的視圖；圖2B是圖2A的相變存儲單元的電阻與編程電流的關(guān)系的曲線圖；圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的相變存儲器的復(fù)位和置位原理的視圖；圖4A和4B是示出了圖2的相變存儲器與圖3的相變存儲器的相變之間的比較的視圖；圖5A是圖3的相變存儲器的一些實(shí)施例的電路圖；圖5B是圖3的相變存儲器的一些實(shí)施例的剖面圖；圖6A是示出了處于復(fù)位狀態(tài)之后的現(xiàn)有相變存儲器的I-V特性的曲線圖；圖6B是示出了處于復(fù)位狀態(tài)之后的根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的相變存儲器的I-V特性的曲線圖；圖7是在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的相變存儲器中的相變層的電阻與編程電流的關(guān)系的曲線圖；圖8是示出了在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的相變存儲器中施加用于讀取、復(fù)位和置位的電流脈沖的視圖；圖9是示出了在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的相變存儲器中的在重復(fù)復(fù)位和置位之后的相變層的電阻的曲線圖；圖10是示出了在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的相變存儲器中的在交替重復(fù)復(fù)位和置位之后的相變層的電阻的曲線圖；以及圖11是比較用于現(xiàn)有相變存儲器與根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的相變存儲器中的置位狀態(tài)的激活能量Ea的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參考附圖更加完整地描述本發(fā)明，其中示出了本發(fā)明的實(shí)施例。但是，本發(fā)明可以以不同的形式體現(xiàn)且不應(yīng)當(dāng)被理解為限定于在此所描述的實(shí)施例。當(dāng)然，提供這些實(shí)施例是為了能夠徹底而全面地公開本發(fā)明，同時完整地向本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員傳達(dá)本發(fā)明的范圍。在附圖中，為了清楚顯示，層和區(qū)域的尺寸或厚度被放大了。相同的數(shù)字表示相同的組件。在此所使用的術(shù)語“和/或”包括一個或多個所列出的相關(guān)聯(lián)項目的任何和所有組合。
應(yīng)當(dāng)理解，雖然術(shù)語第一和第二可以在此用來描述各種區(qū)域、層和/或部分，這些區(qū)域、層和/或部分應(yīng)當(dāng)不受這些術(shù)語的限制。這些術(shù)語術(shù)語只是用來把一區(qū)域、層或部分與另一區(qū)域、層或部分區(qū)分開。因此，在不脫離本發(fā)明的講解的情況下，如下所討論的第一區(qū)域、層或部分可以被定為第二區(qū)域、層或部分，且類似地，第二區(qū)域、層或部分可以被定為第一區(qū)域、層或部分。
在此可以參考特定的工作原理對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行描述。但是，本發(fā)明并不限定于特定的工作原理，其旨在清楚描述而非用于限制。
圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的相變存儲器的置位/復(fù)位原理的視圖。通過觸點(diǎn)110向晶體相變層120施加短時間(例如大約10ns～100ns)的幾十～幾百微安培的低電流脈沖(例如大約60μA～大約200μA)，以把相變層120局部加熱至熔點(diǎn)溫度Tm。然后，通過在中斷電流脈沖之后立即冷卻相變層120的方式，在相變層120與觸點(diǎn)110之間的接觸部分上局部形成非晶體核132a，從而形成了編程區(qū)域130，其具有高于晶體相變層120的初始電阻Ri的電阻。相變存儲單元處于“復(fù)位”狀態(tài)，其可以被定義為數(shù)據(jù)“1”的存儲。即，本發(fā)明的實(shí)施例的相變存儲器中的復(fù)位狀態(tài)與現(xiàn)有相變存儲器中的完全非晶體狀態(tài)不同，因為在本發(fā)明的實(shí)施例的相變存儲器的復(fù)位狀態(tài)中，非晶體核以晶體矩陣分布。對于具有預(yù)定直徑和初始電阻的觸點(diǎn)110，復(fù)位電阻R復(fù)位根據(jù)復(fù)位電流I復(fù)位以及復(fù)位電流I復(fù)位所施加的周期而定。例如，當(dāng)觸點(diǎn)110的直徑為大約60nm且初始電阻處于4kΩ～6kΩ的范圍時，那么，如果通過觸點(diǎn)110施加幾十毫微秒周期的幾十微安培～幾百微安培的電流脈沖，則復(fù)位電阻R復(fù)位處于大約6kΩ～20kΩ的范圍。
如果通過向相變層120施加幾十微安培的低電流脈沖，在本發(fā)明的特定實(shí)施例中為大約30μA～大約50μA(即置位電流I置位)，并且之后再次進(jìn)行冷卻的方式來使相變層120在結(jié)晶溫度上保持大約10毫微秒～100毫微秒的相對較短的時間量，在本發(fā)明的特定實(shí)施例中為大約50毫微秒～大約100毫微秒，則非晶體核132a變得更小，從而形成非晶體核132b，其小于且在數(shù)量上少于非晶體核132a。因此，形成了具有降低密度的非晶體核132b的相變區(qū)域140。相變存儲單元處于“置位”狀態(tài)，其被定義為數(shù)據(jù)“0”的存儲。由于高電阻非晶體核的密度和數(shù)量下降，所以置位電阻R置位下降至從大約4kΩ和～大約6kΩ，其低于復(fù)位電阻R復(fù)位。
如上所述，當(dāng)相變存儲單元從復(fù)位狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹梦粻顟B(tài)時，形成了具有降低數(shù)量和/或密度的非晶體核的低編程區(qū)域140。已通過實(shí)驗結(jié)果證明，雖然處于1.5～3范圍的復(fù)位電阻R復(fù)位與置位電阻R置位的比例遠(yuǎn)小于現(xiàn)有存儲器中的幾百的比例，但是能夠充分地感測到置位和復(fù)位電阻變化。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，為了獲得處于大約1.5～大約3范圍的復(fù)位電阻R復(fù)位與置位電阻R置位的比例，施加幾十毫微秒周期的幾十微安培～幾百微安培的置位電流I置位。
為了讀出存儲的數(shù)據(jù)，通過觸點(diǎn)110施加小于置位和復(fù)位電流I置位或I復(fù)位的電流，例如大約3μA～6μA的電流，并且測量電阻，其與置位和復(fù)位電阻R置位和R復(fù)位進(jìn)行比較。確定相變存儲單元的狀態(tài)所需的時間處于大約5毫微秒～10毫微秒的范圍。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，使用幾十微安培的置位和復(fù)位電流II置位和I復(fù)位來形成非晶體核，其小于在現(xiàn)有相變存儲器中所使用的置位和復(fù)位電流，并且產(chǎn)生大約1.5～3的復(fù)位電阻R復(fù)位與置位電阻R置位的比例，相變存儲器可以通過它來執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入和數(shù)據(jù)讀出。由于寫入電流和脈沖持續(xù)時間小于現(xiàn)有存儲器，所以可以提供低電流和高速相變存儲器。
圖4A和4B是示出了圖2的相變存儲器與圖3的相變存儲器的相變之間的比較的視圖。參考圖4A，如參考圖2所描述的現(xiàn)有相變存儲器(a)通過從完全晶體狀態(tài)20轉(zhuǎn)變至完全非晶體狀態(tài)30且也從完全非晶體狀態(tài)30轉(zhuǎn)變至完全晶體狀態(tài)20來提供了置位和復(fù)位電阻。因此，當(dāng)在現(xiàn)有相變存儲單元中改變狀態(tài)時，電阻出現(xiàn)大的變化。另一方面，本發(fā)明的實(shí)施例的相變存儲器(b)通過把可相變材料的狀態(tài)從具有晶體矩陣中的第一數(shù)量的非晶體核的第一狀態(tài)130轉(zhuǎn)換至具有較少非晶體核的狀態(tài)140的方式來提供置位和復(fù)位電阻。因此，相對于現(xiàn)有相變存儲器(a)，當(dāng)在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的相變存儲單元中改變狀態(tài)時，電阻的變化相對較小。
參考圖4B，現(xiàn)有相變存儲器(a)比相變存儲器(b)涵蓋更大范圍的電流I和電壓V。在現(xiàn)有相變存儲器(a)中，為了形成完全非晶體區(qū)域，通常需要更長的時間來生成并生長液體狀態(tài)的非晶體核。同樣，為了使該完全非晶體區(qū)域結(jié)晶，通常需要多于大約100毫微秒的時間來在非晶體區(qū)域中生成和生長晶體核心。但是，在本發(fā)明的實(shí)施例的相變存儲器(b)中，在復(fù)位狀態(tài)下形成非晶體核，而在置位狀態(tài)下降低非晶體核的數(shù)量和體積。因此，在本發(fā)明的實(shí)施例的相變存儲器(b)中使用比現(xiàn)有相變存儲器窄的電流I和電壓V的范圍。為了生成液體狀態(tài)的非晶體核，形成非晶體核所分布的區(qū)域通常只需低電流和短持續(xù)時間的電流脈沖。即，在接觸部分中的核心的生長是通過成核作用的。同樣，由于在非晶體核所分布的區(qū)域中存在晶體矩陣，當(dāng)從復(fù)位狀態(tài)轉(zhuǎn)變至置位狀態(tài)時，已存在的晶體矩陣將會繼續(xù)生長，而無需成核作用。即，晶體矩陣的成核是通過晶體矩陣的擴(kuò)展的。因此，即使利用小電流和經(jīng)過短時間周期，非晶體核所分布的區(qū)域可以很容易地轉(zhuǎn)變至非晶體核的數(shù)量和體積都下降的區(qū)域。因此，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的相變存儲器具有低電流和高速特性。
下表1示出了現(xiàn)有相變存儲器和本發(fā)明的一些實(shí)施例的相變存儲器的特性。
表1相變存儲器特性的比較

圖5A是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的相變存儲器的電路圖，且圖5B是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的相變存儲器的剖面圖，其可以通過0.24-μm CMOS工藝制造。
參考圖5A，根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的相變存儲器通過不包括參考單元的雙單元切換方法進(jìn)行工作并且包括置位狀態(tài)單元和復(fù)位狀態(tài)單元。該相變存儲器還包括兩個電流源I復(fù)位和I置位以及用于檢測兩個單元之間的電阻的差別的電流感測放大器S/A。存儲單元包括單一單元晶體管CTR，其中，柵被連接至字線WLi或WLj；相變存儲單元PCC和電阻器R，其在單元晶體管CTR的漏極與位線BL之間互相串聯(lián)連接。
參考圖5B，在通過導(dǎo)電栓塞270而連接至形成在襯底250上的MOS晶體管260的源極S的第一金屬互連210與分別通過下層電極觸點(diǎn)230和上層電極觸點(diǎn)240而連接至金屬互連210和220的第二金屬互連220之間淀積相變層200。相變層200可以由諸如GaSb、InSb、InSe、Sb2Te2和/或GeTe的二元化合物，諸如Ge2Sb2Te5、InSbTe、GaSeTe、SnSb2Te4和/或InSbGe的三元化合物和/或諸如AgIbSbTe、(Ge，Sn)SbTe和/或GeSb(SeTe)的四元化合物形成。
形成間隔245，以減少相變層200與下層電極觸點(diǎn)230之間的接觸面積。下層電極觸點(diǎn)230可以包括Ti/TiN栓塞，其通過利用化學(xué)氣相淀積(CVD)在下層電極接觸孔中淀積Ti/TiN并利用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)使Ti/TiN變平坦的方式而形成。間隔245的厚度可以被控制成使得觸點(diǎn)的直徑為大約40毫微米～大約70毫微米，在一些實(shí)施例中為大約60毫微米?？梢栽谟衫鏕e2Sb2Te5形成的相變層200上形成Ti/TiN層205，從而加強(qiáng)了相變層200與上層電極觸點(diǎn)240之間的粘附性。上層電極觸點(diǎn)240包括W栓塞，其通過利用CVD在上層電極接觸孔中淀積W并利用CMP使W變平坦的方式而形成。形成漏極線，以包括通過導(dǎo)電栓塞270而連接至MOS晶體管260的漏極D的第一金屬互連210。MOS晶體管260可以通過0.24-μm CMOS工藝而形成。例如，可以形成35厚的柵絕緣層，使得可以在3V的柵電壓上施加2毫安培或更大的電流。同樣，為了降低源極S/漏極D與導(dǎo)電栓塞270之間的串聯(lián)電阻，可以進(jìn)一步在源極S/漏極D上執(zhí)行硅工藝。因而，串聯(lián)電阻可以小于大約10Ω。
電流經(jīng)由相變層200從下層電極觸點(diǎn)230流向上層電極觸點(diǎn)240。由于電流的中斷而導(dǎo)致的焦耳熱和快速冷卻，在相變層200與下層電極觸點(diǎn)230之間的界面上發(fā)生相態(tài)上的變化。
現(xiàn)在以下面的非限制性示例對本發(fā)明進(jìn)行更加詳細(xì)的描述。
現(xiàn)在以下面的非限制性示例對本發(fā)明進(jìn)行更加詳細(xì)的描述。具體地說，通過復(fù)位/置位轉(zhuǎn)變、電阻比例和I-V曲線中的變化來證明本發(fā)明的相變存儲器對于實(shí)際設(shè)備的適用性。
示例1圖6A是示出了處于復(fù)位狀態(tài)之后的現(xiàn)有相變存儲器的I-V特性的曲線圖。當(dāng)向復(fù)位狀態(tài)(“I”狀態(tài))下的設(shè)備施加大約閾值電壓Vth的電壓時，該設(shè)備被電切換至低電阻動態(tài)，從而允許低電壓編程。閾值電壓Vth為1.0V或更高且用于寫入置位/復(fù)位的編程電流為1.0毫安培或更高。
圖6B是示出了由于施加了50毫微秒周期的100μA的電流脈沖而處于復(fù)位狀態(tài)之后的根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的相變存儲器的I-V特性的曲線圖。閾值電壓Vth為200mV，其由于局部小非晶體成核作用而小于現(xiàn)有存儲器中的閾值電壓。同樣，用于寫入置位/復(fù)位的編程電流明顯降低至大約40μA，其小于現(xiàn)有存儲器中的編程電流。
示例2復(fù)位和置位電流I復(fù)位和I置位的范圍可以通過增大電流而改變相變層120的電阻來確定。圖7是在根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的相變存儲器中的相變層120的電阻與編程電流的關(guān)系的曲線圖。
開始時，(a)通過施加大約50毫微秒周期的100μA的電流而從復(fù)位狀態(tài)(初始電阻為大約10.86kΩ)開始。在30μA～50μA的電流范圍中，電阻明顯降低至4kΩ或更低。因此，相變存儲單元在30μA～50μA的電流范圍中從復(fù)位狀態(tài)轉(zhuǎn)變至置位狀態(tài)。即，置位電流I置位可以在30μA～50μA的范圍中選擇。
同樣，(b)表示其初始處于置位狀態(tài)(其電阻稍微高于4kΩ)的相變存儲單元。當(dāng)電流增大到高于60μA時，電阻隨著增大。當(dāng)電流達(dá)到大約100μA時，電阻達(dá)到飽和。因此，當(dāng)電流為大約60μA或更高時相變存儲單元從置位狀態(tài)轉(zhuǎn)變至復(fù)位狀態(tài)，且可以選擇大約100μA的穩(wěn)定復(fù)位電流I復(fù)位。
示例3圖8是示出了在根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的相變存儲器中施加用于讀取、復(fù)位和置位的電流脈沖的視圖。用于讀出相變存儲單元的寫入狀態(tài)的電流I讀出可以從不影響R復(fù)位和R置位的范圍中選擇。同樣，應(yīng)當(dāng)在施加讀出電流I讀出和中斷該電流的時候考慮上升時間和下降時間。上升時間和下降時間通常處于1毫微秒～4毫微秒的范圍。
執(zhí)行用于置位的上升時間和下降時間均為4毫微秒且用于復(fù)位的上升時間和下降時間均為2毫微秒的實(shí)驗。對于復(fù)位/置位施加100μA/100毫微秒范圍內(nèi)的寫入電流和脈沖寬度。具體地說，對于復(fù)位施加100μA/50毫微秒且對于置位施加40μA/100毫微秒。為了在讀出期間使影響達(dá)到最小，施加6μA/10毫微秒范圍內(nèi)的讀出電流和脈沖寬度。
當(dāng)在上述條件下重復(fù)進(jìn)行讀出、復(fù)位和置位時，初始電阻為4kΩ，R復(fù)位為12kΩ，且R置位為5kΩ。因此，本發(fā)明的一些實(shí)施例的相變存儲器允許在上述條件下進(jìn)行寫入和讀出。
示例4圖9是示出了在根據(jù)本發(fā)明的相變存儲器中的在重復(fù)復(fù)位和置位之后的相變層120的電阻的曲線圖。即，相變存儲單元被重復(fù)復(fù)位，即數(shù)據(jù)“1”被重復(fù)寫入和讀出，并且相變存儲單元被重復(fù)置位，即數(shù)據(jù)“0”被重復(fù)寫入和讀出。復(fù)位是處于100μA/50毫微秒的條件下，置位是處于40μA/100毫微秒的條件下，且在6μA/10毫微秒的條件下執(zhí)行讀出。從結(jié)果上可以看出復(fù)位和置位電阻R復(fù)位和R置位基本上為常數(shù)，其是實(shí)現(xiàn)存儲器的正確功能的必要條件。
示例5圖10是示出了在根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的相變存儲器中的在交替重復(fù)復(fù)位和置位之后的相變層120的電阻的曲線圖。從結(jié)果上可以看出復(fù)位電阻R復(fù)位與置位電阻R置位的比例基本上為常數(shù)。
示例6圖11是比較用于現(xiàn)有相變存儲器與根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的相變存儲器中的置位狀態(tài)的激活能量Ea的曲線圖，其提供了相變存儲器的不同驅(qū)動方法。對于置位操作，在現(xiàn)有存儲器中需要大約2.25eV的激活能量Ea，而在本發(fā)明的實(shí)施例中需要大約0.70eV、0.74eV和0.78eV的激活能量Ea，如圖11所示。
現(xiàn)有置位操作把復(fù)位定義為高電阻狀態(tài)。因此，從復(fù)位狀態(tài)到置位狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，即晶體狀態(tài)對于晶體核心的成核和生長需要高激活能量。但是，本發(fā)明的一些實(shí)施例的置位操作把復(fù)位定義為相對較低的電阻狀態(tài)。因此，從復(fù)位狀態(tài)到置位狀態(tài)的轉(zhuǎn)變只需生長含有非晶體核的晶體矩陣，且激活能量遠(yuǎn)低于現(xiàn)有存儲器。
根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的相變存儲器可以具有特定物理和/或性能特性的特征。具體地說，當(dāng)相變層與下層電極觸點(diǎn)之間的接觸部分的直徑處于幾十毫微米的范圍之內(nèi)時，相變存儲器具有關(guān)于初始電阻范圍和/或動態(tài)電阻范圍的適當(dāng)特性。復(fù)位電阻范圍處于6kΩ～20kΩ的范圍，且置位電阻處于4kΩ～6kΩ的范圍。因此，能夠在處于大約1.5～3的范圍之內(nèi)的復(fù)位電阻與置位電阻的比例下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)感測。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，晶體相變層的相態(tài)可以通過在電阻在很小的范圍內(nèi)變化的區(qū)域中進(jìn)行編程的方式來改變，且置位和復(fù)位狀態(tài)根據(jù)這個相變方法來定義。因此，復(fù)位所需的電流可以被降低至幾十微安培～幾百微安培，并且具有了體積降低的非晶體核，通過結(jié)晶而轉(zhuǎn)變至置位狀態(tài)所需的時間縮短了。同樣，轉(zhuǎn)變至置位狀態(tài)的電流被降低至幾十微安培～幾百微安培。因此，根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的相變存儲器可以具有高速和低電流特性，從而允許高集成設(shè)備的形成。
雖然基本上參考兩種狀態(tài)，每種狀態(tài)均包括晶體矩陣的非晶體核，對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明的實(shí)施例應(yīng)當(dāng)不限定于這些設(shè)備。因此，例如，本發(fā)明的實(shí)施例可以包括一種狀態(tài)在接觸的區(qū)域中為完全晶體或完全非晶體的設(shè)備。同樣，可以提供具有晶體矩陣的非晶體核的多于兩種的狀態(tài)。這種狀態(tài)的數(shù)量可以只由控制可相變材料的轉(zhuǎn)變的能力和感測電阻中所引起的變化的能力限制。
雖然已參考其特定實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了具體示出和描述，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離所附權(quán)利要求書中所定義的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以作出各種形式上和細(xì)節(jié)上的改變。
權(quán)利要求
1.一種創(chuàng)建相變存儲器的狀態(tài)的方法，包含通過向相變存儲單元的相變層施加大約10毫微秒～大約100毫微秒周期的大約十微安培～幾百微安培的復(fù)位電流來把復(fù)位狀態(tài)寫為高電阻狀態(tài)；以及通過向相變層施大約10毫微秒～大約100毫微秒周期的小于大約幾十微安培的置位電流來把置位狀態(tài)寫為低電阻狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，置位電流為大約30微安培～大約50微安培，且復(fù)位電流為大約60微安培～大約200微安培。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，相變層的復(fù)位電阻為大約6kΩ～大約20kΩ。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，相變層電阻具有大約1.5～大約3的復(fù)位電阻與置位電阻的比例。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，復(fù)位電流或置位電流的每個上升時間和下降時間為大約1毫微秒～大約4毫微秒。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，施加給相變層的用于讀出復(fù)位和/或置位狀態(tài)的電流為大約3μA～大約6μA且讀出復(fù)位和/或置位狀態(tài)所需的時間為大約5毫微秒～大約10毫微秒。
7.一種驅(qū)動相變存儲器的方法，該方法包含通過向存儲單元的晶體相變層施加大約30μA～大約50μA的置位電流來寫入置位狀態(tài)；以及通過向該相變層施加大約60μA～大約200μA的復(fù)位電流來寫入復(fù)位狀態(tài)，其中，復(fù)位狀態(tài)被定義為相變層的電阻大于置位中的電阻的狀態(tài)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，相變層中的復(fù)位電阻與置位電阻的比例為大約1.5～大約3。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，用于讀出復(fù)位狀態(tài)和/或置位狀態(tài)的電流為大約3μA～大約6μA，且讀出復(fù)位狀態(tài)和/或置位狀態(tài)所需的時間為大約5毫微秒～大約10毫微秒。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，寫入復(fù)位狀態(tài)和/或置位狀態(tài)所需的時間為大約10毫微秒～大約100毫微秒。
11.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，相變層的復(fù)位電阻為大約6kΩ～大約20kΩ。
12.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，相變層的置位電阻為大約4kΩ～大約6kΩ。
13.一種相變存儲器包含第一電極觸點(diǎn)；在第一電極觸點(diǎn)上的相變層；以及在相變層上的第二電極觸點(diǎn)，其中，置位狀態(tài)是在具有大約4kΩ～6kΩ的置位電阻的相變層中形成非晶體核的狀態(tài)，且復(fù)位狀態(tài)是非晶體核的數(shù)量和密度大于置位狀態(tài)中的情況且具有大約6kΩ～20kΩ的復(fù)位電阻的狀態(tài)。
14.如權(quán)利要求13所述的存儲器，其中，用于在相變層上寫入復(fù)位狀態(tài)和/或置位狀態(tài)的電流為大約10μA～大約200μA，且從相變層寫入復(fù)位狀態(tài)和/或置位狀態(tài)所需的周期為大約10毫微秒～大約100毫微秒。
15.如權(quán)利要求13所述的存儲器，其中，用于在相變層中寫入置位狀態(tài)的電流為大約30μA～大約50μA，且用于在相變層中寫入復(fù)位狀態(tài)的電流為大約60μA～大約200μA。
16.如權(quán)利要求13所述的存儲器，其中，電流向其施加以在相變層中寫入復(fù)位和置位狀態(tài)的第一電極觸點(diǎn)的直徑為大約40毫微米～大約70毫微米。
17.如權(quán)利要求13所述的存儲器，其中，用于在相變層中寫入復(fù)位狀態(tài)和/或置位狀態(tài)的上升時間和下降時間為大約1毫微秒～大約4毫微秒。
18.如權(quán)利要求13所述的存儲器，其中，用于讀出復(fù)位狀態(tài)和/或置位狀態(tài)的電流為大約3μA～大約6μA，且讀出復(fù)位狀態(tài)和/或置位狀態(tài)所需的時間為大約5毫微秒～大約10毫微秒。
19.如權(quán)利要求14所述的存儲器，其中，用于讀出復(fù)位狀態(tài)和/或置位狀態(tài)的電流為大約3μA～大約6μA，且讀出復(fù)位狀態(tài)和/或置位狀態(tài)所需的時間為大約5毫微秒～大約10毫微秒。
20.一種可相變存儲設(shè)備，包含相變存儲單元；以及感測放大器電路，其被安置來檢測從與相變存儲單元的第一狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的第一電阻到與相變存儲單元的第二狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的第二電阻的相變存儲單元的電阻中的變化，第二電阻是第一電阻的大約1.5～大約3倍。
21.如權(quán)利要求20所述的可相變存儲設(shè)備，其中，第一電阻為大約4kΩ～大約6kΩ，且第二電阻為大約6kΩ～大約20kΩ。
22.如權(quán)利要求20所述的可相變存儲設(shè)備，還包含置位電流源，其被安置來向相變存儲單元提供大約30μA～大約50μA的置位寫入電流。
23.如權(quán)利要求22所述的可相變存儲設(shè)備，其中，向相變存儲單元提供大約10毫微秒～大約100毫微秒的置位寫入電流。
24.如權(quán)利要求22所述的可相變存儲設(shè)備，還包括復(fù)位電流源，其被安置來向相變存儲單元提供大約60μA～大約200μA的復(fù)位寫入電流。
25.如權(quán)利要求24所述的可相變存儲設(shè)備，其中，向相變存儲單元提供大約10毫微秒～大約100毫微秒的復(fù)位寫入電流。
26.一種相變存儲器，包含第一和第二電極觸點(diǎn)；以及在第一與第二電極觸點(diǎn)之間的相變層，該相變層在與相變層與第一電極之間的界面相鄰的區(qū)域中提供第一狀態(tài)，其通過晶體矩陣的第一數(shù)量的非晶體核而創(chuàng)建。
27.如權(quán)利要求26所述的相變存儲器，其中，相變層還在與相變層與第一電極之間的界面相鄰的區(qū)域中提供第二狀態(tài)，其通過晶體矩陣的第二數(shù)量的非晶體核而創(chuàng)建，第二數(shù)量大于第一數(shù)量。
28.如權(quán)利要求27所述的相變存儲器，其中，第一數(shù)量的非晶體核與第二數(shù)量的非晶體核提供大約1.5～大約3的相變層的電阻比例。
29.如權(quán)利要求27所述的相變存儲器，其中，相變層的第一狀態(tài)提供大約4kΩ～大約6kΩ的相變層的電阻，且相變層的第二狀態(tài)提供大約6kΩ～大約20kΩ的相變層的電阻。
30.如權(quán)利要求27所述的相變存儲器，其中，用于在相變層上寫入第一狀態(tài)或第二狀態(tài)的電流為大約10μA～大約200μA，且從相變層寫入第一狀態(tài)或第二狀態(tài)所需的周期為大約10毫微秒～大約100毫微秒。
31.如權(quán)利要求27所述的相變存儲器，其中，在相變層中寫入第一狀態(tài)所需的電流為大約30μA～大約50μA，且在相變層中寫入第二狀態(tài)所需的電流為大約60μA～大約200μA。
32.如權(quán)利要求27所述的相變存儲器，其中，電流向其施加以在相變層中寫入第一和第二狀態(tài)的第一電極觸點(diǎn)的直徑為大約40毫微米～大約70毫微米。
33.如權(quán)利要求27所述的相變存儲器，其中，用于讀出第一狀態(tài)和/或第二狀態(tài)的電流為大約3μA～大約6μA，且讀出第一狀態(tài)和/或第二狀態(tài)所需的時間為大約5毫微秒～大約10毫微秒。
34.一種操作相變存儲器的方法，包含通過控制可相變材料的晶體矩陣中的非晶體成核的方式在相變存儲器中創(chuàng)建邏輯狀態(tài)。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，其中，第一邏輯狀態(tài)通過晶體矩陣的第一數(shù)量的非晶體核而創(chuàng)建，且第二邏輯狀態(tài)通過晶體矩陣的第二數(shù)量的非晶體核而創(chuàng)建，第二數(shù)量大于第一數(shù)量。
36.如權(quán)利要求35所述的方法，其中，第一數(shù)量的非晶體核與第二數(shù)量的非晶體核提供大約1.5～大約3的可相變材料的電阻比例。
37.如權(quán)利要求35所述的方法，其中，第一邏輯狀態(tài)提供大約4kΩ～大約6kΩ的相變層的電阻，且第二邏輯狀態(tài)提供大約6kΩ～大約20kΩ的相變層的電阻。
38.如權(quán)利要求35所述的方法，其中，控制非晶體成核包含把用于寫入第一邏輯狀態(tài)或第二邏輯狀態(tài)的電流控制為大約10μA～大約200μA以及把寫入第一邏輯狀態(tài)或第二邏輯狀態(tài)所需的周期控制為大約10毫微秒～大約100毫微秒。
39.如權(quán)利要求35所述的方法，其中，控制非晶體成核包含把用于寫入第一邏輯狀態(tài)的電流控制為大約30μA～大約50μA；以及把用于寫入第二邏輯狀態(tài)電流控制為大約60μA～大約200μA。
40.如權(quán)利要求35所述的方法，其中，電流向其施加以寫入第一和第二邏輯狀態(tài)的第一電極觸點(diǎn)的直徑為大約40毫微米～大約70毫微米。
41.如權(quán)利要求35所述的方法，還包含把用于讀出第一邏輯狀態(tài)和/或第二邏輯狀態(tài)的電流控制為大約3μA～大約6μA以及把用于讀出第一狀態(tài)和/或第二狀態(tài)的時間控制為大約5毫微秒～大約10毫微秒。
全文摘要
本發(fā)明提供了相變存儲器，其中，通過使電阻發(fā)生微量改變來改變相態(tài)。在相變存儲器中，置位狀態(tài)被定義為在存儲單元的相變層中形成非晶體核且相變層具有高于晶體矩陣中的電阻的初始電阻的狀態(tài)，且復(fù)位狀態(tài)被定義為非晶體核的數(shù)量和/或密度大于置位狀態(tài)且電阻高于置位狀態(tài)中的電阻的狀態(tài)。用于寫入復(fù)位和置位狀態(tài)的電流被降低至幾百微安培并且寫入復(fù)位和置位狀態(tài)所需的周期被降低至幾十毫微秒～幾百毫微秒。
文檔編號G11C11/00GK1536688SQ200410032188
公開日2004年10月13日 申請日期2004年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月4日
發(fā)明者李世昊 申請人:三星電子株式會社