專利名稱：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器設(shè)備的制作方法
背景技術(shù)：
研究人員一直工作致力于增加信息存儲(chǔ)器設(shè)備的存儲(chǔ)密度并且降低存儲(chǔ)成本，所述信息存儲(chǔ)器設(shè)備諸如磁盤驅(qū)動(dòng)器、光驅(qū)動(dòng)器和半導(dǎo)體隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。然而，增加存儲(chǔ)密度變得越來越困難。常規(guī)技術(shù)似乎接近存儲(chǔ)密度的固有極限。例如，基于常規(guī)磁記錄的信息存儲(chǔ)迅速接近諸如超順磁(superparamagnetic)極限之類的固有物理限制，在所述超順磁極限以下磁比特在室溫下是不穩(wěn)定的。
正在研究并開發(fā)并不會(huì)面臨這些固有極限的信息存儲(chǔ)器設(shè)備。一個(gè)這種設(shè)備，原子分辨率存儲(chǔ)器設(shè)備，包括多個(gè)電子發(fā)射器，其具有貼近存儲(chǔ)介質(zhì)的電子發(fā)射表面。在寫入操作期間，電子發(fā)射器通過以具有適當(dāng)脈沖形狀和幅度的相對(duì)較高強(qiáng)度的電子束轟擊存儲(chǔ)區(qū)域來改變存儲(chǔ)介質(zhì)上亞微米大小的存儲(chǔ)區(qū)域的狀態(tài)。存儲(chǔ)介質(zhì)處于多晶狀態(tài)或非晶狀態(tài)。通過改變存儲(chǔ)區(qū)域的狀態(tài)，把比特寫入存儲(chǔ)區(qū)域。
另一這種設(shè)備是熱隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)。熱RAM是一種交叉點(diǎn)存儲(chǔ)器，這種交叉點(diǎn)存儲(chǔ)器使用電流來改變位于陣列中兩個(gè)導(dǎo)線的交叉點(diǎn)上存儲(chǔ)區(qū)域(單元)的狀態(tài)。典型的熱RAM單元包括處于多晶狀態(tài)或非晶狀態(tài)的存儲(chǔ)區(qū)域。通過改變存儲(chǔ)區(qū)域的狀態(tài)，把比特寫入存儲(chǔ)區(qū)域。用于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)(即相位)改變的編程電流在幾毫安范圍之內(nèi)。使用大面積晶體管來支持編程電流。
需要一種非易失性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器設(shè)備，相對(duì)于熱RAM具有較低的編程電流，并具有增加的存儲(chǔ)容量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種半導(dǎo)體存儲(chǔ)器設(shè)備。在一個(gè)實(shí)施例中，該半導(dǎo)體存儲(chǔ)器設(shè)備包括尖端電極、介質(zhì)電極和存儲(chǔ)介質(zhì)。該存儲(chǔ)介質(zhì)具有存儲(chǔ)區(qū)域，所述存儲(chǔ)區(qū)域可通過使電流流過在尖端電極和介質(zhì)電極之間的存儲(chǔ)區(qū)域而被配置為處于多個(gè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)之一，以用于表示在所述存儲(chǔ)區(qū)域所存儲(chǔ)的信息。


參考以下附圖更好地理解本發(fā)明的實(shí)施例。附圖的元素相互之間不必按比例繪制。同樣的附圖標(biāo)記指代相應(yīng)的類似部分。
圖1是用于依照本發(fā)明圖示半導(dǎo)體存儲(chǔ)器設(shè)備的實(shí)施例的側(cè)視圖。
圖2是用于圖示半導(dǎo)體存儲(chǔ)器設(shè)備一部分的示例性實(shí)施例的圖。
圖3是用于圖示探頭尖端陣列的實(shí)施例的俯視圖的圖。
圖4是用于圖示探頭尖端陣列的實(shí)施例的側(cè)視圖的圖。
圖5是圖示用于從半導(dǎo)體存儲(chǔ)器設(shè)備讀取或向其寫入的方法的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。
圖6是用于圖示半導(dǎo)體存儲(chǔ)器設(shè)備的一個(gè)示例性實(shí)施例的特性的圖。
圖7是用于圖示半導(dǎo)體存儲(chǔ)器設(shè)備的一個(gè)示例性實(shí)施例的特性的圖。
圖8是用于圖示半導(dǎo)體存儲(chǔ)器設(shè)備的一個(gè)示例性實(shí)施例的特性的圖。
圖9是用于圖示半導(dǎo)體存儲(chǔ)器設(shè)備的一個(gè)示例性實(shí)施例的特性的圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是用于圖示半導(dǎo)體存儲(chǔ)器設(shè)備30的一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖。存儲(chǔ)器設(shè)備30包括多個(gè)尖端電極(示出了尖端電極40和尖端電極42)、具有多個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域46的存儲(chǔ)介質(zhì)44、介質(zhì)電極48、微動(dòng)機(jī)(micromover)50和外殼52。尖端電極40和42貼近存儲(chǔ)介質(zhì)44。存儲(chǔ)介質(zhì)44被耦合到微動(dòng)機(jī)50。外殼52封入尖端電極40和42、存儲(chǔ)介質(zhì)44和微動(dòng)機(jī)50。使用半導(dǎo)體微組裝技術(shù)來制造半導(dǎo)體存儲(chǔ)器設(shè)備30。
實(shí)際存儲(chǔ)器設(shè)備30包括多個(gè)尖端電極、一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)、一個(gè)或多個(gè)微動(dòng)機(jī)和用于從所述存儲(chǔ)介質(zhì)讀取數(shù)據(jù)并向其寫入數(shù)據(jù)的相關(guān)聯(lián)電路。只示出了兩個(gè)尖端電極40和42、一個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)44和一個(gè)微動(dòng)機(jī)50，以簡化該圖。
存儲(chǔ)介質(zhì)44位于尖端電極40和42以及介質(zhì)電極48之間。通過使電流60流過存儲(chǔ)區(qū)域46，所述存儲(chǔ)區(qū)域46可配置為處于多個(gè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)之一。多個(gè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)表示在存儲(chǔ)區(qū)域所存儲(chǔ)的信息。在一個(gè)實(shí)施例中，在尖端電極40和介質(zhì)電極48之間施加電壓來引起電流60流過存儲(chǔ)區(qū)域40以便在所述存儲(chǔ)區(qū)域讀取和寫入信息。
在讀取或?qū)懭氩僮髌陂g，尖端電極40和42與存儲(chǔ)介質(zhì)44接觸。在尖端電極40和42以及存儲(chǔ)介質(zhì)44之間的尖端接觸區(qū)域很小。在一個(gè)實(shí)施例中，尖端接觸區(qū)域具有在5納米和50納米之間的直徑范圍。很小的尖端接觸區(qū)域要求較少的功率來在存儲(chǔ)區(qū)域46讀取或?qū)懭胄畔?例如，在3伏或更少的情況下有100微微安或更少的讀取或?qū)懭腚娏?。此外，很小的尖端接觸區(qū)域使得能夠在存儲(chǔ)介質(zhì)44上存儲(chǔ)更高的數(shù)據(jù)密度。所要求的實(shí)際讀取或?qū)懭腚娏魅Q于用于存儲(chǔ)介質(zhì)44的具體材料。
尖端電極40和42由硅制成。在一個(gè)實(shí)施例中，尖端電極40和42是“重?fù)诫s的”以便相對(duì)于諸如熱RAM之類的其它已知設(shè)備提供較低的接觸電阻以產(chǎn)生較低的讀取或?qū)懭腚娏?。較低的讀取或?qū)懭腚娏髟谳^少體積改變的情況下降低了存儲(chǔ)器設(shè)備的功率需求并且增加了切換速度并且提高了設(shè)備可靠性。在另一實(shí)施例中，尖端電極40和42是重?fù)诫s的菱形尖端或金屬鍍層。在本申請(qǐng)中稍后進(jìn)一步詳細(xì)描述尖端電極40和42。
存儲(chǔ)介質(zhì)44是具有第一主要表面60和第二主要表面62的非易失性存儲(chǔ)介質(zhì)。第一主要表面60是暴露的基本上平坦的表面。第二主要表面62接觸介質(zhì)電極48。介質(zhì)電極48由金屬(例如，銅、鋁或鉬(molyden))或重?fù)诫s的半導(dǎo)體構(gòu)成。存儲(chǔ)介質(zhì)44包括可配置的且具有多個(gè)狀態(tài)的存儲(chǔ)區(qū)域46。在一個(gè)實(shí)施例中，存儲(chǔ)區(qū)域46具有用于存儲(chǔ)信息的第一狀態(tài)和第二狀態(tài)。第一狀態(tài)和第二狀態(tài)分別被定義為邏輯“0”和邏輯“1”，或反過來。
介質(zhì)44由相變材料構(gòu)成。在一個(gè)實(shí)施例中，相變材料是基于硫化物(chalocogenide)的相變材料。相變材料包括合金Te、Se、Sb、Ni、Ge、In和Ag。在一個(gè)實(shí)施例中，介質(zhì)相變材料是Ge(2)、Sb(2)、Te(5)，GST。在寫入操作期間，在尖端電極40和42以及介質(zhì)電極48之間所施加的電壓引起電流流過每個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域46。電流把每個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域46中相變材料的結(jié)構(gòu)狀態(tài)從多晶狀態(tài)改變?yōu)榉蔷顟B(tài)。在其它實(shí)施例中，電流把每個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域46中相變材料的狀態(tài)從非晶狀態(tài)改變到多晶狀態(tài)。每個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域46可以存儲(chǔ)信息的一個(gè)或多個(gè)比特，由非晶或多晶狀態(tài)表示。
存儲(chǔ)區(qū)域46在其非晶狀態(tài)中所檢測的電阻大約比存儲(chǔ)區(qū)域46在其多晶狀態(tài)中所檢測的電阻大100倍。在一個(gè)實(shí)施例中，在非晶狀態(tài)中邏輯“0”由大約1.0E+12歐姆到1.0E+13歐姆范圍內(nèi)的電阻表示，并且在多晶狀態(tài)中邏輯“1”由在大約1.5E+9歐姆到1.5E+10歐姆范圍內(nèi)的電阻表示。實(shí)際的電阻范圍和讀取/寫入電壓范圍取決于實(shí)際的介質(zhì)材料。在一個(gè)實(shí)施例中，讀取電壓在.3伏到5.0伏的范圍之內(nèi)，并且寫入電壓在2.0伏到15.0伏范圍之內(nèi)。
微動(dòng)機(jī)50用于相對(duì)于尖端電極40和42移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)44以便向存儲(chǔ)介質(zhì)44讀取和寫入數(shù)據(jù)。在一個(gè)實(shí)施例中，微動(dòng)機(jī)50被耦合到存儲(chǔ)介質(zhì)44，并且尖端電極40和42被固定保持以便相對(duì)于探頭尖端40和42移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)32。在另一實(shí)施例中，微動(dòng)機(jī)50被耦合到尖端電極40和42，并且存儲(chǔ)介質(zhì)44被固定保持以便相對(duì)于存儲(chǔ)介質(zhì)44移動(dòng)尖端電極40和42。
微動(dòng)機(jī)50移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)44以便把尖端電極40和42定位在不同的存儲(chǔ)區(qū)域46上。微動(dòng)機(jī)50可以采取許多形式，只要它具有足夠的范圍和分辨率來在存儲(chǔ)區(qū)域38上定位探頭尖端40和42就可以。在一個(gè)實(shí)施例中，微動(dòng)機(jī)50借助半導(dǎo)體微制造技術(shù)來制造，并且被配置為相對(duì)于外殼52在X和Y軸方向上掃描存儲(chǔ)介質(zhì)44。
存儲(chǔ)器設(shè)備30可以包括尖端電極陣列，包括尖端電極40和42。在一個(gè)實(shí)施例中，在尖端電極陣列中的尖端電極之間的間距在X和Y軸方向上是50微米。每個(gè)尖端電極40和42可以訪問存儲(chǔ)區(qū)域46中數(shù)萬到數(shù)億的比特。例如，尖端電極40和42掃描存儲(chǔ)區(qū)域46，在存儲(chǔ)區(qū)域46之間具有大約1到100納米的間隔?？梢酝瑫r(shí)或依照多路復(fù)用方式來尋址尖端電極(例如，尖端電極40和42)。在存儲(chǔ)器設(shè)備30中并行尋址模式顯著地減少了訪問時(shí)間并且增加了數(shù)據(jù)速率。
在一個(gè)實(shí)施例中，尖端電極40和42是具有相對(duì)銳利尖的尖頭電極。尖端電極40和42包括直徑在大約15到50納米范圍內(nèi)的小尖端接觸區(qū)域。可以使用其它適當(dāng)?shù)募舛穗姌O配置和形狀。例如，尖端電極可以是平的或平面的。小尖端接觸區(qū)域提供了增加的比特密度。另外，探頭尖端40和42傳導(dǎo)電流以便從存儲(chǔ)介質(zhì)32中的存儲(chǔ)區(qū)域46讀取并向其中寫入。
在讀取操作期間，尖端電極40由微動(dòng)機(jī)50定位，以致于使得尖端電極40的尖或端與存儲(chǔ)介質(zhì)44的所選存儲(chǔ)區(qū)域46接觸。在一個(gè)實(shí)施例中，在尖端電極40和介質(zhì)電極48之間施加在大約0.3-0.5V范圍內(nèi)的電壓。在尖端電極40和介質(zhì)電極48之間引起在大約60-80pA范圍內(nèi)的電流流過所選存儲(chǔ)區(qū)域46。信號(hào)電流的幅度取決于所選存儲(chǔ)區(qū)域46的結(jié)構(gòu)狀態(tài)(例如，非晶或多晶)。讀取電路檢測流過所選存儲(chǔ)區(qū)域46的電流并且確定所選存儲(chǔ)區(qū)域46的電阻。所述電阻表示在所選存儲(chǔ)區(qū)域46中所存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和相應(yīng)的邏輯電平。
在寫入操作期間，微動(dòng)機(jī)50定位尖端電極40使得尖端電極40與存儲(chǔ)介質(zhì)44的所選存儲(chǔ)區(qū)域46相接觸。要求比從所選存儲(chǔ)區(qū)域46讀取所需要的電壓和電流更大的電壓和電流來寫入所選存儲(chǔ)區(qū)域46。在一個(gè)實(shí)施例中，在尖端電極40和介質(zhì)電極48之間施加在大約2.8-3.2V范圍內(nèi)具有適當(dāng)脈沖形狀的電壓。所述電壓引起在大約90-110pA范圍內(nèi)的電流60流過所選存儲(chǔ)區(qū)域46。電流把所選存儲(chǔ)區(qū)域46的結(jié)構(gòu)狀態(tài)從多晶狀態(tài)修改為非晶狀態(tài)或從非晶狀態(tài)修改為多晶狀態(tài)。寫入電路檢測流過所選存儲(chǔ)區(qū)域46的電流直到所選存儲(chǔ)區(qū)域46的結(jié)構(gòu)狀態(tài)改變，導(dǎo)致所選存儲(chǔ)區(qū)域46的電阻改變。所述電阻表示在所選存儲(chǔ)區(qū)域46中所存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和邏輯電平。
圖2是用于圖示半導(dǎo)體存儲(chǔ)器設(shè)備30一部分的示例性實(shí)施例的圖。存儲(chǔ)器設(shè)備30包括定位控制器102和讀取/寫入控制器104。微動(dòng)機(jī)50包括用116指示的掃描裝配件。掃描裝配件116包括支持臂118、z軸掃描致動(dòng)器120、x-y軸掃描致動(dòng)器122、掃描頭124和尖端電極40。存儲(chǔ)介質(zhì)44包括存儲(chǔ)區(qū)域46。介質(zhì)電極48被耦合到存儲(chǔ)介質(zhì)44。定位控制器102被耦合到存儲(chǔ)介質(zhì)44，在130表明，并且被耦合到掃描裝配件116，在132表明。讀取/寫入控制器104被電耦合到掃描裝配件116，在136表明，并且被電耦合到存儲(chǔ)介質(zhì)44，在138表明。
支持臂118支撐z軸致動(dòng)器118、x-y軸致動(dòng)器122、掃描頭124和尖端電極40。支持臂118相對(duì)于存儲(chǔ)介質(zhì)44移動(dòng)尖端電極40。z軸掃描致動(dòng)器120沿著z軸移動(dòng)尖端電極40，如箭頭140所表明，基本上垂直于(即與之正交)存儲(chǔ)介質(zhì)44。z軸掃描致動(dòng)器120可移動(dòng)地把尖端電極與存儲(chǔ)介質(zhì)44相接觸。x-y軸掃描致動(dòng)器122在x軸方向以及在y軸方向上沿著存儲(chǔ)介質(zhì)水平地探頭尖端電極40，如箭頭142所表明。x-y軸掃描致動(dòng)器122把尖端電極40與存儲(chǔ)介質(zhì)44中的存儲(chǔ)區(qū)域46相對(duì)準(zhǔn)。掃描頭124支撐尖端電極40。在一個(gè)實(shí)施例中，尖端電極陣列由掃描頭124支撐。
掃描裝配件116是掃描隧道顯微鏡(scanning tunneling microscopeSTM)掃描裝配件，其中根據(jù)隧道電流信息來控制尖端電極40的位置。作為選擇，掃描裝配件116可以被提供為原子力顯微鏡(atomic forcemicroscope AFM)掃描裝配件，其中根據(jù)在尖端電極40和存儲(chǔ)介質(zhì)44的表面之間所產(chǎn)生的力(例如，原子力，靜電力或磁力)來控制尖端電極40的位置。z軸掃描致動(dòng)器120和x-y軸掃描致動(dòng)器122包括靜電致動(dòng)器、壓電致動(dòng)器或其它適當(dāng)?shù)闹聞?dòng)器。
定位控制器102控制尖端電極40在存儲(chǔ)介質(zhì)44上的垂直和水平位置。在操作中，定位控制器102使用z軸掃描致動(dòng)器120來降低尖端電極40以與存儲(chǔ)介質(zhì)44相接觸或升高尖端電極40以不與存儲(chǔ)介質(zhì)44相接觸。定位控制器102通過控制x-y掃描致動(dòng)器122或通過使用微動(dòng)機(jī)50相對(duì)于電極40移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)來沿著存儲(chǔ)介質(zhì)44的表面水平地掃描接觸的尖端電極40。
讀取/寫入控制器104控制從存儲(chǔ)區(qū)域46讀取和向其中的寫入。讀取/寫入控制器104控制在尖端電極40和介質(zhì)電極48之間的讀取/寫入電壓信號(hào)(包括脈沖形狀和幅度)，以引起流過存儲(chǔ)區(qū)域46的電流以便從存儲(chǔ)區(qū)域46讀取或向其中寫入。
利用探頭尖端114來向所選存儲(chǔ)區(qū)域46寫入信息和從中讀取信息。讀取/寫入控制器108控制在探頭尖端114和電極36之間施加具有適當(dāng)脈沖形狀和幅度的電壓信號(hào)。在各自的多個(gè)所選存儲(chǔ)區(qū)域46上定位一個(gè)或多個(gè)探頭尖端114之后，讀取/寫入控制器104把信息寫入到所選存儲(chǔ)區(qū)域46中。讀取/寫入控制器104通過跨過所選存儲(chǔ)區(qū)域46施加在大約2.8-3.2V范圍內(nèi)相對(duì)較高改變狀態(tài)的電壓來寫入信息，所述電壓被選擇來引起電流流過所選存儲(chǔ)區(qū)域46。電流把所選存儲(chǔ)區(qū)域46的結(jié)構(gòu)狀態(tài)從結(jié)晶改變?yōu)榉蔷Щ驈姆蔷Ц淖優(yōu)榻Y(jié)晶。在一個(gè)實(shí)施例中，在95到105pA范圍內(nèi)的編程或?qū)懭腚娏髯阋园呀Y(jié)構(gòu)狀態(tài)從結(jié)晶改變?yōu)榉蔷А?br> 作為選擇，讀取/寫入控制器104讀取在所選存儲(chǔ)區(qū)域46中所存儲(chǔ)的信息。讀取/寫入控制器104通過跨過所選存儲(chǔ)區(qū)域46施加在大約0.3-0.5V范圍內(nèi)相對(duì)較低的檢測電壓來讀取信息，所述電壓被選擇來引起電流流過所選存儲(chǔ)區(qū)域46。讀取/寫入控制器104檢測所述電流并且在不改變所選存儲(chǔ)區(qū)域46的結(jié)構(gòu)狀態(tài)的情況下確定它們的電阻。
圖3和4是分別用于圖示掃描裝配件116的示例性實(shí)施例的圖。掃描裝配件116包括尖端電極114陣列，每個(gè)尖端電極114包括平面致動(dòng)器115。掃描裝配件116支撐具有尖端電極114的尖端電極陣列，所述尖端電極114間隔對(duì)應(yīng)于在存儲(chǔ)器設(shè)備30的存儲(chǔ)區(qū)域46之間間隔的大約10-104倍。
尖端電極由耐用的、彈性的且導(dǎo)電的半導(dǎo)體或摻雜半導(dǎo)體材料(例如，摻雜硅)構(gòu)成。在另一實(shí)施例中，尖端電極由金屬材料(例如，鉑)、非金屬材料(例如，碳)構(gòu)成。在一個(gè)實(shí)施例中，探頭尖端114是碳納管(nanotube)。如這里所用，術(shù)語“納管”被定義為具有1-200nm左右的窄尺寸(直徑)和長尺寸(長度)的空心制品，其中長尺寸與窄尺寸的比率(即，長闊比)至少為五。通常，長闊比可以在5和2000之間。
碳納管是由碳原子所形成的空心結(jié)構(gòu)。在此實(shí)施例中，每個(gè)尖端電極114可以是多層納管或單層納管。多層納管包括均具有不同直徑的幾個(gè)納管。從而，最小直徑的管被較大直徑的管封裝，較大直徑的管又可以被另一更大直徑的納管封裝。相比之下，單層納管只包括一個(gè)納管。多層納管典型情況下被生成為單個(gè)多層納管或生成為多層納管束。然而，單層納管典型情況下被生成為單層納管的繩，繩的每一股是單層納管。碳納管探頭尖端114借助常規(guī)的碳納管制造工藝(例如，化學(xué)蒸汽淀積)或其它適當(dāng)?shù)闹圃旃に噥砩L。
在一個(gè)實(shí)施例中，尖端電極40和42由摻有磷或砷的硅構(gòu)成以便使尖端電極為N型。在其它實(shí)施例中，尖端電極40和42被摻雜以使它們?yōu)镻型。
平面致動(dòng)器115被定位在每個(gè)尖端電極114的基部并且被配置為維持每個(gè)尖端電極40與存儲(chǔ)介質(zhì)44相接觸。尖端電極40可以具有相同或不同的長度。在掃描期間，每個(gè)平面致動(dòng)器115調(diào)節(jié)每個(gè)相關(guān)聯(lián)尖端電極40的位置來適應(yīng)各尖端電極長度以便保持在尖端電極40和存儲(chǔ)介質(zhì)44之間的接觸。
圖5是圖示用于從存儲(chǔ)器設(shè)備30讀取或向其中寫入的方法200的流程圖。在202，讀取/寫入控制器104接收來自外部設(shè)備的讀取或?qū)懭朊?。?04，定位控制器102使用微動(dòng)機(jī)44和/或掃描裝配件116來移動(dòng)與所選存儲(chǔ)區(qū)域46相關(guān)聯(lián)的尖端電極40或尖端電極40陣列，在所選存儲(chǔ)區(qū)域46中將在一定位置寫入數(shù)據(jù)或讀取數(shù)據(jù)。在206，如果所述命令是讀取命令，那么在208繼續(xù)執(zhí)行所述命令。如果所述命令是寫入命令，那么在218繼續(xù)執(zhí)行所述命令。
在208對(duì)于讀取命令來說，讀取/寫入控制器108跨過在尖端電極40和介質(zhì)電極44之間的存儲(chǔ)區(qū)域46施加具有適當(dāng)脈沖形狀、在大約0.3-0.5V范圍內(nèi)的電壓信號(hào)。引起在大約60-80微微安培范圍內(nèi)的電流流過所選存儲(chǔ)區(qū)域46。
所引起的電流幅度對(duì)應(yīng)于存儲(chǔ)區(qū)域的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。例如，非晶狀態(tài)具有比多晶狀態(tài)更大的電阻。結(jié)果，對(duì)于處在非晶狀態(tài)中的存儲(chǔ)區(qū)域引起較低的電流。
在210，讀取/寫入控制器104檢測流過所選存儲(chǔ)區(qū)域38的電流。使用所檢測的電流來確定貫穿所述存儲(chǔ)區(qū)域的電阻。在212，讀取/寫入控制器104根據(jù)所述電阻來確定存儲(chǔ)區(qū)域46的狀態(tài)并且向外部設(shè)備提供用于表明所選存儲(chǔ)區(qū)域46的狀態(tài)的邏輯值。
在218對(duì)于寫入命令來說，讀取/寫入控制器108跨過在尖端電極40和介質(zhì)電極44之間的存儲(chǔ)區(qū)域46提供具有適當(dāng)脈沖形狀、在大約2.8-3.2V范圍內(nèi)的電壓。引起在大約90-110微微安培范圍內(nèi)的電流流過所選存儲(chǔ)區(qū)域46。在220，讀取/寫入控制器104控制電壓和電流直到貫穿存儲(chǔ)區(qū)域46的電阻改變以表明從非晶到結(jié)晶或從結(jié)晶到非晶的結(jié)構(gòu)狀態(tài)改變。在222，讀取/寫入控制器104向外部設(shè)備通知寫入操作完成。
圖6-8是圖示半導(dǎo)體存儲(chǔ)器設(shè)備30的一個(gè)示例性實(shí)施例的特性的圖表，其中存儲(chǔ)介質(zhì)44的相變材料是GST。圖6是圖示用于使用存儲(chǔ)器設(shè)備30來寫入存儲(chǔ)介質(zhì)44上不同位置的電壓特性的圖。分析了五個(gè)寫入操作。沿著第一軸表明在尖端電極40和介質(zhì)電極48之間所施加的電壓200。在202沿著第二軸表明微微安培大小的寫入電流。寫入存儲(chǔ)介質(zhì)44上的存儲(chǔ)區(qū)域46要求在100微微安培下非常小大約3伏的電壓。在此實(shí)驗(yàn)中，在尖端電極40和介質(zhì)電極48之間所施加的電壓變化非常小，大約.5伏(在2.5伏和3伏之間)，以便獲得要求的寫入電流。對(duì)于每個(gè)示例性寫入操作來說，以要求的100微微安培的寫入電流把數(shù)據(jù)寫入每個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域46。
圖7是用于圖示對(duì)于在半導(dǎo)體存儲(chǔ)器設(shè)備30上的存儲(chǔ)區(qū)域?qū)懭牒妥x取的一個(gè)示例性實(shí)施例來說電壓和電流特性的圖。如第一掃描210所表明，把數(shù)據(jù)寫入到存儲(chǔ)介質(zhì)44上的存儲(chǔ)區(qū)域46。在尖端電極40和介質(zhì)電極48之間施加3伏電壓，引起100微微安培的寫入電流流過存儲(chǔ)區(qū)域46。第二掃描212圖示了讀取操作的操作特性。通過跨過尖端電極40和介質(zhì)電極48施加小于.5伏的電壓，引起大約80微微安培的讀取電流流過存儲(chǔ)區(qū)域46來從所述存儲(chǔ)區(qū)域46讀取數(shù)據(jù)。
圖8是圖示用于確定被寫入到半導(dǎo)體存儲(chǔ)器設(shè)備30上的存儲(chǔ)區(qū)域的比特狀態(tài)的檢測的電阻范圍的圖。在讀取操作期間，所檢測的電阻1e+10歐姆表明邏輯“1”或高狀態(tài)，在240所表示。所檢測的大約1e+12范圍的電阻產(chǎn)生邏輯“0”或低狀態(tài)。應(yīng)當(dāng)注意，每個(gè)高和低狀態(tài)的電阻范圍在跨過尖端電極40和介質(zhì)電極48施加在.2和.5伏之間的讀取電壓上是相對(duì)均勻的。此圖進(jìn)一步圖示了在邏輯和邏輯1狀態(tài)之間至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)的電阻幅度差異。
依照本發(fā)明的存儲(chǔ)器設(shè)備30包括“重?fù)诫s的”尖端，導(dǎo)致與相變介質(zhì)之間具有較低接觸電阻。這相對(duì)于常規(guī)的熱RAM設(shè)備產(chǎn)生更低的讀取或?qū)懭腚娏鳎谳^少體積變化的情況下降低了存儲(chǔ)器設(shè)備的功率需求并且增加了切換速度以便提高設(shè)備可靠性。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了只在100pA范圍內(nèi)的編程或?qū)懭腚娏鳌?br> 權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體存儲(chǔ)器(30)設(shè)備，包括尖端電極(40，42，114)；介質(zhì)電極(48)；具有存儲(chǔ)區(qū)域(46)的存儲(chǔ)介質(zhì)(44)，所述存儲(chǔ)區(qū)域(46)可通過使電流(60)流過在尖端電極和介質(zhì)電極之間的存儲(chǔ)區(qū)域而被配置為處于多個(gè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)之一，以用于表示在所述存儲(chǔ)區(qū)域所存儲(chǔ)的信息。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，包括控制器(104)，用于在所述尖端電極和介質(zhì)電極之間施加電壓來引起所述電流流過所述存儲(chǔ)區(qū)域以便在所述存儲(chǔ)區(qū)域讀取或?qū)懭胄畔ⅰ?br> 3.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述尖端電極是摻雜質(zhì)的尖端。
4.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器設(shè)備，其中所述尖端電極摻雜有磷、砷和硼中的至少一個(gè)。
5.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器設(shè)備，其中所述尖端電極包括納管。
6.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述尖端電極是借助半導(dǎo)體微組裝技術(shù)所制造的尖端結(jié)構(gòu)的一部分。
7.如權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器設(shè)備，其中所述尖端電極包括硅。
8.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器設(shè)備，其中用于在存儲(chǔ)區(qū)域?qū)懭胄畔⒌碾娏鞯瓦_(dá)100微微安培，并且其中用于在所述存儲(chǔ)區(qū)域讀取信息的電流大約為80微微安培。
9.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器設(shè)備，其中所述尖端電極可沿著所述存儲(chǔ)介質(zhì)的表面(62)相對(duì)于所述存儲(chǔ)介質(zhì)移動(dòng)，其中所述尖端電極被配置為垂直于所述存儲(chǔ)介質(zhì)的表面移動(dòng)，其中所述尖端被配置為基本上平行于所述存儲(chǔ)介質(zhì)的表面移動(dòng)，并且包括用于彼此相對(duì)移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)和尖端電極的微動(dòng)機(jī)(50)。
10.如權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器設(shè)備，其中所述多個(gè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)包括多晶狀態(tài)和非晶狀態(tài)，其中所述存儲(chǔ)介質(zhì)由相變材料構(gòu)成，其中所述尖端電極可沿著所述存儲(chǔ)介質(zhì)的表面相對(duì)于存儲(chǔ)介質(zhì)移動(dòng)，其中所述多晶狀態(tài)的電阻大約比非晶狀態(tài)的電阻小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，其中所述尖端電極包括與存儲(chǔ)介質(zhì)之間的尖端接觸區(qū)域，所述尖端接觸區(qū)域具有小到5納米的直徑，其中所述相變材料包括基于硫化物的相變材料或其中所述相變材料包括含有元素Te、Se、Sb、Ni、Ge、In和Ag之一或這些元素組合的合金。
全文摘要
一種半導(dǎo)體存儲(chǔ)器設(shè)備(30)，包括尖端電極(40，42，114)、介質(zhì)電極(48)和存儲(chǔ)介質(zhì)(44)。該存儲(chǔ)介質(zhì)具有存儲(chǔ)區(qū)域(46)，所述存儲(chǔ)區(qū)域(46)可通過使電流(60)流過在尖端電極和介質(zhì)電極之間的存儲(chǔ)區(qū)域而被配置為處于多個(gè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)之一，以用于表示在所述存儲(chǔ)區(qū)域所存儲(chǔ)的信息。
文檔編號(hào)G11B9/04GK101023477SQ200580027855
公開日2007年8月22日 申請(qǐng)日期2005年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月17日
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