專利名稱：高耐用度相變存儲(chǔ)器裝置及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于以包括硫族化物(chalcogenide)材料的相變材料為基礎(chǔ)的存儲(chǔ)器裝置，以及用于操作這類裝置的方法。本申請(qǐng)案主張2011年6月23日申請(qǐng)的名稱為「高耐用度相變存儲(chǔ)器裝置及其操作方法(High-Endurance Phase Change Memory Device and Methods for Operating theSame)」的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)案第61/500，567號(hào)，其并入本文作為參考。
背景技術(shù)：
相變基礎(chǔ)存儲(chǔ)器材料，像是硫族化物基礎(chǔ)材料以及類似的材料，可通過在集成電路中施加電流至適合于執(zhí)行的電平，而被導(dǎo)致來改變非結(jié)晶相及結(jié)晶相之間。非結(jié)晶相的 特征在于比可被立即讀取以指示數(shù)據(jù)的結(jié)晶相還高的電阻。這些特性已產(chǎn)生在使用可編程的電阻材料的利益，以形成可以隨機(jī)動(dòng)態(tài)來讀取及寫入的非易失性存儲(chǔ)電路。在本文中，設(shè)定操作是從非結(jié)晶相到結(jié)晶相的變化通常是較低電流的操作，復(fù)位操作是從結(jié)晶相到非結(jié)晶相的變化通常是較高電流的操作，且復(fù)位操作包括一短高電流密度脈沖來融化或破壞結(jié)晶結(jié)構(gòu)，在相變材料快速冷卻后，淬熄該相變過程并容許至少一部份的相變材料在非結(jié)晶相中變穩(wěn)定。在重復(fù)的設(shè)定及復(fù)位操作后，相變存儲(chǔ)器單元可經(jīng)歷一「鎖定設(shè)定失效(stuck-set failure) J或復(fù)位失效模式,其中復(fù)位操作可不再充分地增加存儲(chǔ)器單元的電阻。另一方面，存儲(chǔ)器單元也可經(jīng)歷一「高鎖定失效(stuck-high failure)」或設(shè)定失效模式，其中設(shè)定操作無法充分地降低存儲(chǔ)器單元的電阻。這些失效模式限制了裝置的循環(huán)耐用度。因此，其欲提供滿足與鎖定設(shè)定失效模式或高鎖定失效模式相關(guān)的耐用度議題的相變基礎(chǔ)存儲(chǔ)器裝置及操作方法。

發(fā)明內(nèi)容
本文所描述的相變基礎(chǔ)存儲(chǔ)器裝置及用于操作這類裝置的方法克服了失效模式而且導(dǎo)致了增進(jìn)的耐用度、可靠度及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存表現(xiàn)。高電流修復(fù)操作響應(yīng)于相變存儲(chǔ)器單元的設(shè)定或復(fù)位失效而進(jìn)行。當(dāng)存儲(chǔ)器單元的電阻響應(yīng)于一設(shè)定操作而無法被降低到對(duì)應(yīng)于較低電阻設(shè)定態(tài)的電阻時(shí)，發(fā)生了一設(shè)定失效。當(dāng)存儲(chǔ)器單元的電阻響應(yīng)于一復(fù)位操作而無法被增加到對(duì)應(yīng)于較高電阻復(fù)位態(tài)的電阻時(shí)，發(fā)生了一復(fù)位失效。修復(fù)操作引起了比正常復(fù)位操作更高的通過相變存儲(chǔ)器單元的電流強(qiáng)度，使得更大體積的相變材料在修復(fù)操作期間比在復(fù)位操作期間融化。較高電流修復(fù)操作可提供一足夠的能量，以反轉(zhuǎn)可在重復(fù)的設(shè)定及復(fù)位操作之后所發(fā)生的相變材料中的組成改變。這些組成改變可包括設(shè)定及復(fù)位操作所引起的在相變材料中的電致遷移及相分離，其導(dǎo)致了設(shè)定及復(fù)位失效。通過反轉(zhuǎn)這些組成改變，本文所描述的技術(shù)可回復(fù)經(jīng)歷過設(shè)定或復(fù)位失效的存儲(chǔ)器單元，藉此延長(zhǎng)存儲(chǔ)器單元的耐用度。如此一來，提供了具有高循環(huán)耐用度的相變基礎(chǔ)存儲(chǔ)器裝置及操作這類裝置的方法。此外，設(shè)定操作、復(fù)位操作及較高電流修復(fù)操作通過施加具有跨過相變存儲(chǔ)器單元的相同電壓極性而進(jìn)行。換言之，通過相變存儲(chǔ)器單元的電流在每一操作期間以相同方向流動(dòng)。結(jié)果，與需要來施加相反的極性脈沖者相較，需要來操作存儲(chǔ)器單元的控制及偏壓電路的復(fù)雜度大為簡(jiǎn)化。本發(fā)明的其他方面及優(yōu)點(diǎn)可在檢閱以下的圖式、實(shí)施方式及權(quán)利要求范圍而理解。


圖I為包含可如本文所述操作的相變存儲(chǔ)器單元的集成電路的簡(jiǎn)化方塊圖。
圖2說明了在圖I的相變存儲(chǔ)器陣列中一部份的相變存儲(chǔ)器單元的范例。圖3說明了具有一有源區(qū)及一較大體積的修復(fù)區(qū)的蕈傘型存儲(chǔ)器單元的剖面示意圖。圖4為具有如本文所述的較高電流修復(fù)模式的復(fù)位操作的流程圖。圖5為具有如本文所述的較高電流修復(fù)模式的設(shè)定操作的流程圖。圖6為圖4的復(fù)位操作的范例時(shí)間圖。主要元件符號(hào)說明100 集成電路105 相變存儲(chǔ)器陣列110 字線譯碼器及驅(qū)動(dòng)器115 多條字線120 位線譯碼器125 多條位線130 感應(yīng)電路(感應(yīng)放大器)及數(shù)據(jù)輸入結(jié)構(gòu)135 數(shù)據(jù)總線140 數(shù)據(jù)輸入線145 數(shù)據(jù)輸出線150 用于讀取、設(shè)定、復(fù)位、設(shè)定驗(yàn)證、復(fù)位驗(yàn)證及高電流修復(fù)模式的控制器155 偏壓設(shè)定供應(yīng)電壓及電流源160 總線165 其他電路175 方塊230、232、234、236 存儲(chǔ)器單元246、248、250、252 相變存儲(chǔ)器元件254 源線256、258 字線260、262 位線280 電流路徑300 存儲(chǔ)器元件310 介電層320 第一電極330 相變存儲(chǔ)器材料層340 第二電極350 高電阻界面410、420、430、440、450 步驟462、464、466、468、470 步驟500,510 持續(xù)時(shí)間520 復(fù)位偏壓
530 讀取偏壓(讀取或感應(yīng)電壓脈沖)540 修復(fù)或恢復(fù)電壓
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施例的實(shí)施方式以參考圖I至圖6而提供。圖I為集成電路100的簡(jiǎn)化方塊圖，集成電路100包含可如本文所述來操作的相變存儲(chǔ)器單元(未示出)的相變存儲(chǔ)器陣列10 5。具有讀取、設(shè)定、復(fù)位、設(shè)定驗(yàn)證、復(fù)位驗(yàn)證及高電流修復(fù)模式的字線譯碼器及驅(qū)動(dòng)器110被耦合至沿著相變存儲(chǔ)器陣列105中的列所排列的多條字線115且與多條字線115電通訊。位線(行)譯碼器120與沿著該陣列105的行所排列的多條字線125進(jìn)行電通訊，用于從該陣列105中的相變存儲(chǔ)器單元讀取數(shù)據(jù)以及將數(shù)據(jù)寫入該陣列105中的相變存儲(chǔ)器單元。在總線160上的地址被提供至字線譯碼器及驅(qū)動(dòng)器110以及位線譯碼器120。在方塊130的感應(yīng)電路(感應(yīng)放大器)及數(shù)據(jù)輸入結(jié)構(gòu)經(jīng)由數(shù)據(jù)總線135被耦合至位線譯碼器120。數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)據(jù)輸入線140從集成電路100上的輸入/輸出端或從集成電路100內(nèi)部或外部的其他數(shù)據(jù)源供應(yīng)至方塊130的數(shù)據(jù)輸入結(jié)構(gòu)。其他電路165可被包含在集成電路100上，例如一般用途處理器或特定目的應(yīng)用電路，或是提供由相變陣列105支持的系統(tǒng)單芯片功能的模塊的組合。數(shù)據(jù)從方塊130的感應(yīng)放大器經(jīng)由數(shù)據(jù)輸出線145提供至集成電路100上的輸入/輸出端，或者至集成電路100內(nèi)部或外部的其他數(shù)據(jù)目的端。集成電路100包括用于讀取、設(shè)定、復(fù)位、設(shè)定驗(yàn)證、復(fù)位驗(yàn)證及高電流修復(fù)模式的控制器150?？刂破?50,如使用偏壓設(shè)定(bias arrangement)型態(tài)的機(jī)器,控制偏壓設(shè)定的供應(yīng)電壓及電流源155的應(yīng)用，用于包括讀取、設(shè)定、復(fù)位、設(shè)定驗(yàn)證、復(fù)位驗(yàn)證及高電流修復(fù)模式的偏壓設(shè)定的應(yīng)用?？刂破?50被稱合至方塊175的感應(yīng)放大器,用于響應(yīng)于從方塊130中的感應(yīng)放大器的輸出訊號(hào)來控制偏壓設(shè)定供應(yīng)電壓及電流源155?？刂破?50可使用如在本領(lǐng)域所知的特定用途邏輯電路來加以實(shí)施。在替代的實(shí)施例中，控制器150包括可在相同的集成電路上實(shí)施，以執(zhí)行一計(jì)算機(jī)程序來控制集成電路100的操作的一般用途處理器。圖2說明了在圖I的相變存儲(chǔ)器陣列105中一部份的相變存儲(chǔ)器單元的范例。如圖2所示，每一個(gè)存儲(chǔ)器單元包括存取晶體管或其他存取裝置，例如二極管。4個(gè)具有各自的相變存儲(chǔ)器元件246、248、250、252的存儲(chǔ)器單元230、232、234、236顯示于圖2，代表包含數(shù)百萬個(gè)存儲(chǔ)器單元的一小部分的陣列。存儲(chǔ)器單元可編程為包括一高電阻態(tài)及一低電阻態(tài)的多個(gè)電阻態(tài)。電阻態(tài)對(duì)應(yīng)于相對(duì)應(yīng)的相變存儲(chǔ)器元件的電阻值的非重疊范圍。存儲(chǔ)器單元230、232、234、236的每一個(gè)存取晶體管的來源共同連接至終止于一源線終端電路155的一源線254。在另一實(shí)施例中，存取裝置的來源并未電連接，但可獨(dú)立地控制。例如，源線終端電路155可為一接地終端。或者，在某些實(shí)施例中，源線終端電路155可包括偏壓電路(例如電壓源及電流源)以及用于施加除了接地之外的偏壓設(shè)定至源線254的譯碼電路。包括字線256、258的多條字線沿著第一方向并行延伸。字線256、258與字線譯碼器110電通訊。存儲(chǔ)器單元230、234的存取晶體管的柵極連接至字線256。存儲(chǔ)器單元232、236的存取晶體管的柵極連接至字線258。
包括位線260、262的多條字線沿著第二方向并行延伸。位線260、262與位線譯碼器120電通訊。存儲(chǔ)器元件246、248將位線260耦合至存儲(chǔ)器單元230、232的各自的存取晶體管的漏極。存儲(chǔ)器元件250、252將位線262耦合至存儲(chǔ)器單元234、236的各自的存取晶體管的漏極。將被了解的是，存儲(chǔ)器陣列105并未限定于圖2所說明的陣列配置，而且可使用其他陣列配置。此外，雙極晶體管或二極管(而不是金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體管)在某些實(shí)施例中可使用為存取裝置。在操作時(shí)，每一個(gè)存儲(chǔ)器單元230、232、234、236依據(jù)它們各自的存儲(chǔ)器元件246、248、250、252的電阻來儲(chǔ)存數(shù)據(jù)數(shù)值。例如，數(shù)據(jù)數(shù)值可通過比較一選定的存儲(chǔ)器單元的位線上的電流以及合適的參考電流而加以測(cè)定。在可編程為三個(gè)或更多個(gè)電阻態(tài)的存儲(chǔ)器單元中，可建立多個(gè)參考電流，使得位線電流的不同范圍對(duì)應(yīng)于三個(gè)或更多個(gè)電阻態(tài)中的每
一個(gè)。 讀取或?qū)懭胫陵嚵?05的所選定的存儲(chǔ)器單元可通過施加一合適電壓到相對(duì)應(yīng)的字線以及將該相對(duì)應(yīng)的位線耦合至偏壓而達(dá)成，使得電流流經(jīng)通過該所選定的存儲(chǔ)器單元(包括通過各自的存儲(chǔ)器元件)。例如，通過所選定的存儲(chǔ)器單元232的電流路徑280通過施加足以開啟存儲(chǔ)器單元232的存取晶體管，以及足以從位線260至源線254引起在路徑280的偏壓至位線260、字線258及源線254而加以建立，或反之亦然。在存儲(chǔ)器單元232的讀取(或感應(yīng))操作中，偏壓被施加跨過所選定的存儲(chǔ)器單元，以引起通過存儲(chǔ)器元件的電流。該電流并未導(dǎo)致存儲(chǔ)器元件經(jīng)歷電阻態(tài)的改變。通過存儲(chǔ)器元件的電流的強(qiáng)度取決于存儲(chǔ)器元件的電阻，且因此數(shù)據(jù)數(shù)值被儲(chǔ)存于存儲(chǔ)器單元232中。因此，當(dāng)這類電流的強(qiáng)度取決于什么存儲(chǔ)器元件的電阻態(tài)是對(duì)應(yīng)于所儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)數(shù)值或缺乏數(shù)據(jù)數(shù)值時(shí)，所引起的電流用作為讀取該存儲(chǔ)器單元。圖3為一部份的存儲(chǔ)器單元300的范例的剖面示意圖。部分存儲(chǔ)器元件300包括第一電極320及第二電極340。第一電極320及第二電極340電連接于一層相變存儲(chǔ)器材料330。在操作時(shí)，電壓被施加到第一電極320及第二電極340，以導(dǎo)致電流通過該層相變存儲(chǔ)器材料330。這樣的電流容許在存儲(chǔ)器單元內(nèi)部分的存儲(chǔ)器元件300的讀取/感應(yīng)及寫入操作。存儲(chǔ)器材料層330包括一有源區(qū)，其中結(jié)晶態(tài)及非結(jié)晶態(tài)之間的大部分相變?cè)谠O(shè)定及復(fù)位操作期間發(fā)生。在復(fù)位操作期間，施加一電壓脈沖到引起一電流形成的存儲(chǔ)器材料層330，該電流導(dǎo)致了在有源區(qū)內(nèi)處于低電阻結(jié)晶態(tài)的相變材料變換為高電阻非結(jié)晶態(tài)。在設(shè)定操作期間，施加一電壓脈沖到引起一電流形成的存儲(chǔ)器材料層330，該電流導(dǎo)致在有源區(qū)內(nèi)處于高電阻非結(jié)晶態(tài)的相變材料變換為低電阻結(jié)晶態(tài)。這樣不同的電阻態(tài)對(duì)應(yīng)于在存儲(chǔ)器單元內(nèi)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。在存儲(chǔ)器單元的壽命期間，單元重復(fù)地在設(shè)定態(tài)及復(fù)位態(tài)之間循環(huán)。隨著時(shí)間過去，重復(fù)的施加導(dǎo)致在活動(dòng)區(qū)內(nèi)的電致遷移及相分離。電致遷移通過在存儲(chǔ)器單元設(shè)定及復(fù)位操作期間在存儲(chǔ)器材料層330內(nèi)產(chǎn)生電場(chǎng)而引起。另一方面，相分離通過在存儲(chǔ)器單元操作期間存儲(chǔ)器材料330的原子沿著溫度梯度來純化及移動(dòng)而引起。電致遷移及相分離可導(dǎo)致高電阻接口 350或有源區(qū)周圍區(qū)域的形成。這樣的高電阻接口 350或區(qū)域處于第一電極320及第二電極340之間的傳導(dǎo)路徑內(nèi)，使得在存儲(chǔ)器材料層330內(nèi)單元的電阻變得更高。結(jié)果，在重復(fù)的循環(huán)后，該單元經(jīng)由稱作高鎖定失效的機(jī)制而失效，藉此，所施加的低電流脈沖無法通過該單元而將有源區(qū)從高電阻非結(jié)晶復(fù)位態(tài)轉(zhuǎn)換為低電阻結(jié)晶設(shè)定態(tài)。這樣的高鎖定失效機(jī)制在存儲(chǔ)器材料層330的有源區(qū)在非結(jié)晶態(tài)變成鎖定時(shí)發(fā)生。電致遷移及相分離也可導(dǎo)致在存儲(chǔ)器層330內(nèi)低電阻區(qū)域的形成。這樣的低電阻區(qū)域在第一電極340及第二電極340之間的傳導(dǎo)路徑內(nèi)形成，使得在存儲(chǔ)器材料層330內(nèi)該單元的電阻變得更低。結(jié)果，所施加的高復(fù)位電流的這樣較低的電阻并不夠高而在存儲(chǔ)器材料層330內(nèi)產(chǎn)生足夠的熱，以將該單元從低電阻設(shè)定結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)換為高電阻非結(jié)晶態(tài)。之后，當(dāng)存儲(chǔ)器材料層330的有源區(qū)在結(jié)晶態(tài)變成失效時(shí)，該裝置在已知為低鎖定失效的過程中失效。為了終止導(dǎo)因于在設(shè)定態(tài)及復(fù)位態(tài)之間的重復(fù)循環(huán)之后的電致遷移及相分離的高鎖定失效及低鎖定失效機(jī)制兩者，將一恢復(fù)或更新脈沖施加至該單元?；謴?fù)脈沖具有如同與設(shè)定及復(fù)位電壓相同的跨過存儲(chǔ)器材料層330的電壓極性，所述設(shè)定及復(fù)位電壓在設(shè) 定及復(fù)位操作期間被施加于跨過存儲(chǔ)器材料層330，且恢復(fù)脈沖在相同方向引起一電流作為在設(shè)定及復(fù)位操作期間所引起的電流。具有相同電壓極性且引起以相同方向流經(jīng)跨過存儲(chǔ)器材料層330的電流作為設(shè)定及復(fù)位操作偏壓以及之后所引起的設(shè)定及復(fù)位電流的恢復(fù)脈沖有助于其在存儲(chǔ)器陣列內(nèi)不需要使用額外的電路，而以與設(shè)定及復(fù)位操作期間所施加的電壓不同的相反極性的電壓來偏壓存儲(chǔ)器單元?；謴?fù)脈沖引起具有大于該電流強(qiáng)度的強(qiáng)度的一電流，該電流強(qiáng)度經(jīng)由導(dǎo)致材料層330的有源區(qū)從低電阻結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娮璺蔷鄳B(tài)的高脈沖而被引起。結(jié)合所施加的脈沖期間，恢復(fù)脈沖的電流強(qiáng)度必須夠大來將足夠的能量導(dǎo)入相變存儲(chǔ)器層330，以導(dǎo)致一部份的相變存儲(chǔ)器層330融化?；謴?fù)脈沖導(dǎo)致在存儲(chǔ)器材料層330內(nèi)的至少該有源區(qū)及修復(fù)操作區(qū)融化。修復(fù)操作區(qū)包括將在存儲(chǔ)器材料層330內(nèi)的區(qū)域圍繞該有源區(qū)，其中，原子在重復(fù)操作期間受到電致遷移及相分離，藉此在存儲(chǔ)器材料層330的傳導(dǎo)路徑內(nèi)增加高電阻區(qū)或低電阻區(qū)。至少該有源區(qū)及該修復(fù)操作區(qū)的融化及隨后的固化導(dǎo)致了在電致遷移及相分離期間在有源區(qū)內(nèi)遷移或分離的原子遷移回有源區(qū)或在有源區(qū)內(nèi)重組，使得在有源區(qū)及修復(fù)操作區(qū)內(nèi)的相變存儲(chǔ)器材料在非結(jié)晶態(tài)以大體上遍布有源區(qū)及修復(fù)操作區(qū)內(nèi)的相變存儲(chǔ)器材料的相同化學(xué)計(jì)量而穩(wěn)定化。這反而適用以有效地修復(fù)在操作期間導(dǎo)致的損害，且確保在有源區(qū)及修復(fù)操作區(qū)兩者的傳導(dǎo)路徑內(nèi)的高電阻區(qū)及低電阻區(qū)的缺陷被去除。當(dāng)在操作期間所產(chǎn)生的高及低電阻區(qū)的大部分缺陷在有源區(qū)及修復(fù)操作區(qū)內(nèi)發(fā)生時(shí)，導(dǎo)致有源區(qū)及修復(fù)操作區(qū)兩者在整個(gè)恢復(fù)脈沖的施加期間融化及隨后固化，確保在操作期間所產(chǎn)生的大部分缺陷從整個(gè)存儲(chǔ)器材料層330的傳導(dǎo)路徑去除。結(jié)果，延長(zhǎng)了存儲(chǔ)器單元的耐用度而且該單元可在整個(gè)設(shè)定及復(fù)位操作中再次地循環(huán)，而沒有高鎖定或低鎖定失效的風(fēng)險(xiǎn)。圖4為說明了在復(fù)位操作期間施加一恢復(fù)/修復(fù)脈沖的操作方法的流程圖。同時(shí)圖4特別地描述在復(fù)位操作期間施加恢復(fù)脈沖，其中存儲(chǔ)器單元的目標(biāo)電阻態(tài)為復(fù)位或較高電阻態(tài)?；謴?fù)脈沖也可在設(shè)定操作期間施加，其中存儲(chǔ)器單元的目標(biāo)電阻態(tài)為如同圖5所示的設(shè)定或較低電阻態(tài)。如同圖4所示，首先，復(fù)位操作由步驟410開始。之后，在步驟420,將一復(fù)位偏壓(reset bias)施加跨過存儲(chǔ)器單元，以引起第一復(fù)位電流在存儲(chǔ)器單元的存儲(chǔ)器元件內(nèi)產(chǎn)生。這樣的復(fù)位電流導(dǎo)致在存儲(chǔ)器單元的有源區(qū)內(nèi)的材料從低電阻結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娮璺墙Y(jié)晶態(tài)。接著,在步驟430中，將一讀取偏壓(read bias)施加跨過存儲(chǔ)器單元，以引起通過該存儲(chǔ)器單元的讀取電流。由該電流讀取該存儲(chǔ)器單元的方法如先前所述。在此特定的操作方法中，該讀取電流感應(yīng)到存儲(chǔ)器單元是否處于一非結(jié)晶高電阻態(tài)，作為先前在步驟420所施加的復(fù)位偏壓的結(jié)果。若該單元處于一高電阻復(fù)位態(tài)，則復(fù)位操作結(jié)束，如同在步驟450所示。然而，若該單元在施加一復(fù)位偏壓之后并未處于高電阻復(fù)位態(tài)，則其可能低電阻區(qū)及/或高電阻區(qū)缺陷沿著防止該單元轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高電阻非結(jié)晶態(tài)于已知為低鎖定失效的傳導(dǎo)路徑而存在。結(jié)果，如同步驟440所示，一恢復(fù)電流被施加通過先前描述的機(jī)制，治愈了導(dǎo)因于電致遷移及相分離的低電阻及高電阻區(qū)缺陷，成為了重復(fù)的設(shè)定及復(fù)位操作的應(yīng)用的結(jié)果。
在步驟440施加恢復(fù)電流之后，過程循環(huán)回去且復(fù)位偏壓設(shè)定再次被施加跨過該存儲(chǔ)器單元，以引起通過存儲(chǔ)器單元的存儲(chǔ)器元件的復(fù)位電流(步驟420)。再一次，施加一讀取偏壓以感應(yīng)存儲(chǔ)器單元的電阻是否對(duì)應(yīng)于高復(fù)位電阻態(tài)(步驟430)。若存儲(chǔ)器單元內(nèi)的電阻在施加復(fù)位偏壓之后確實(shí)對(duì)應(yīng)于高電阻態(tài)，則復(fù)位操作結(jié)束(步驟450)。若在存儲(chǔ)器單元內(nèi)的電阻并未對(duì)應(yīng)于高電阻態(tài)，則再一次施加恢復(fù)偏壓到該單元(步驟440)，且過程再一次循環(huán)回去。此循環(huán)持續(xù)直到在該單元內(nèi)達(dá)到對(duì)應(yīng)于復(fù)位電阻態(tài)的高電阻態(tài)，該復(fù)位電阻態(tài)是該單元在轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷鄰?fù)位態(tài)或直到到達(dá)最大的再試極限的特征。圖5為說明在設(shè)定操作期間施加一恢復(fù)/修復(fù)脈沖的操作方法的流程圖。如圖5所示，首先，設(shè)定操作由步驟462開始。之后，將一設(shè)定偏壓(set bias)施加跨過存儲(chǔ)器單元，以引起設(shè)定電流在步驟464該存儲(chǔ)器單元的存儲(chǔ)器元件內(nèi)產(chǎn)生。這樣的設(shè)定電流導(dǎo)致在存儲(chǔ)器單元的有源區(qū)內(nèi)的材料從高電阻非結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娮杞Y(jié)晶態(tài)。接著，在步驟466中，施加一讀取偏壓(read bias)跨過存儲(chǔ)器單元，以引起通過存儲(chǔ)器單元的讀取電流。由電流讀取存儲(chǔ)器單元的方法為先前所述。在此特定的操作方法中，該讀取電流感應(yīng)到存儲(chǔ)器單元是否處于一結(jié)晶低電阻態(tài)作為先前在步驟464所施加的設(shè)定偏壓的結(jié)果。若該單元處于一低電阻設(shè)定態(tài)，則結(jié)束設(shè)定操作，如步驟470所示。然而，若該單元在施加一設(shè)定偏壓之后并非處于低電阻態(tài)，則其可能低電阻及/或高電阻區(qū)缺陷沿著防止該單元轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娮杞Y(jié)晶態(tài)于已知為高鎖定失效的傳導(dǎo)路徑而存在。結(jié)果，如步驟468所示，一恢復(fù)電流被施加通過先前描述的機(jī)制，治愈了導(dǎo)因于電致遷移及相分離的低電阻及高電阻區(qū)缺陷，成為了重復(fù)的設(shè)定及復(fù)位操作的應(yīng)用的結(jié)果。在步驟468施加恢復(fù)電流之后，過程循環(huán)回去且設(shè)定偏壓再次被施加跨過該存儲(chǔ)器單元，以引起通過存儲(chǔ)器單元的存儲(chǔ)器元件的設(shè)定電流(步驟464)。再一次，施加一讀取偏壓以感應(yīng)存儲(chǔ)器單元的電阻是否對(duì)應(yīng)于低電阻態(tài)(步驟466)。若存儲(chǔ)器單元內(nèi)的電阻在施加設(shè)定偏壓之后確實(shí)對(duì)應(yīng)于低電阻態(tài)，則設(shè)定操作結(jié)束(步驟470)。若在存儲(chǔ)器單元內(nèi)的電阻并未對(duì)應(yīng)于低電阻態(tài)，則再一次施加恢復(fù)偏壓到該單元(步驟468)，且過程再一次循環(huán)回去。此循環(huán)持續(xù)直到在該單元內(nèi)達(dá)到對(duì)應(yīng)于設(shè)定電阻態(tài)的低電阻態(tài)，該設(shè)定電阻態(tài)是該單元轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶設(shè)定態(tài)或直到到達(dá)最大的再試極限的特征。圖6是電壓被施加至位線及字線作為在圖4所述的操作方法的時(shí)間函數(shù)的示意圖。當(dāng)在任何時(shí)間偏壓跨過裝置而產(chǎn)生時(shí)，遍及以下的偏壓設(shè)定，施加電壓、字線偏壓到字線以開啟存取裝置。關(guān)于施加到位線的偏壓，首先，對(duì)應(yīng)于步驟420，施加復(fù)位偏壓520到字線。復(fù)位偏壓在持續(xù)時(shí)間500被施加到字線，其為典型地在標(biāo)準(zhǔn)復(fù)位操作中施加。施加到字線的復(fù)位偏壓520的強(qiáng)度大于在讀取或感應(yīng)操作期間所施加的讀取偏壓530的強(qiáng)度，但可低于在恢復(fù)操作期間施加到字線的修復(fù)或恢復(fù)電壓540的強(qiáng)度。復(fù)位電壓520為在有源區(qū)內(nèi)導(dǎo)致結(jié)晶相變存儲(chǔ)器材料轉(zhuǎn)變?yōu)榉墙Y(jié)晶復(fù)位態(tài)的一足夠大的強(qiáng)度。然而，復(fù)位電壓520的強(qiáng)度并未足夠大到導(dǎo)引足夠的能量進(jìn)入存儲(chǔ)器材料層，以導(dǎo)致相變存儲(chǔ)器材料在存儲(chǔ)器材料層內(nèi)的有源區(qū)及有源區(qū)外的修復(fù)區(qū)融化。接著施加讀取偏壓530對(duì)應(yīng)于圖4的步驟430。讀取偏壓530是一足夠小的強(qiáng)度，以感應(yīng)該單元在如先前所述的整個(gè)機(jī)制中是否處于高電阻復(fù)位態(tài)，但是，讀取偏壓530是一足夠小的強(qiáng)度以致于不能導(dǎo)致存儲(chǔ)器層的有源區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪浑娮钁B(tài)。讀取偏壓530在持續(xù)期間510被施加到位線，該持續(xù)時(shí)間足夠久來精確地感應(yīng)存儲(chǔ)器單元的存儲(chǔ)器元件的電阻態(tài)為何。如圖6所示的電壓圖作為時(shí)間函數(shù)顯示當(dāng)讀取電流感應(yīng)到存儲(chǔ)器單元的存儲(chǔ)器元件的電阻態(tài)并未對(duì)應(yīng)于在執(zhí)行圖4所示的操作方法的循環(huán)的回路之后的高電阻態(tài)時(shí)，施 加所述電壓。如先前所討論以及如圖5所示，也可在設(shè)定操作期間施加恢復(fù)脈沖。在施加讀取或感應(yīng)電壓脈沖530之后，由于存儲(chǔ)器單元的存儲(chǔ)器元件并未處于高電阻態(tài)，因此施加修復(fù)或恢復(fù)電壓脈沖540到對(duì)應(yīng)于圖4步驟440的位線?；謴?fù)電壓脈沖540被持續(xù)施加一段時(shí)間且具有足夠大以導(dǎo)致存儲(chǔ)器材料層的有源區(qū)及修復(fù)區(qū)內(nèi)的相變存儲(chǔ)器材料融化的強(qiáng)度?；謴?fù)電壓脈沖的施加時(shí)間可大于、等于或小于復(fù)位偏壓的施加時(shí)間，且恢復(fù)電壓脈沖的施加時(shí)間小于設(shè)定偏壓的施加時(shí)間?；謴?fù)電壓脈沖540然后由位線及有源區(qū)及修復(fù)區(qū)內(nèi)所融化的材料固化為快速冷卻且有效淬熄的材料。如先前所述，這樣的融化及固化通過導(dǎo)致在有源及修復(fù)區(qū)內(nèi)遷移的原子移動(dòng)到使得達(dá)到具有大體上一致的化學(xué)計(jì)量的穩(wěn)定非結(jié)晶態(tài)的位置，而去除了在傳導(dǎo)路徑內(nèi)的高及低電阻區(qū)缺陷。在施加恢復(fù)偏壓脈沖540之后，循環(huán)再次從新開始，且復(fù)位電壓脈沖520再次被施加到再次對(duì)應(yīng)于步驟420的位線。在設(shè)定失效被修復(fù)的一實(shí)施例中，之后以具有比復(fù)位脈沖520更低的強(qiáng)度及較慢的下降緣(falling edge)的設(shè)定脈沖來取代脈沖520。之后,讀取電壓脈沖530再次被施加以測(cè)定存儲(chǔ)器單元的存儲(chǔ)器元件是否處于對(duì)應(yīng)于非結(jié)晶復(fù)位態(tài)的高電阻態(tài)。讀取電壓脈沖530的施加再次對(duì)應(yīng)于該單元的電阻態(tài)要被感應(yīng)的步驟430。之后，若存儲(chǔ)器單元的存儲(chǔ)器元件并未處于高電阻態(tài)，則施加一恢復(fù)電壓脈沖540到位線，以移除再次對(duì)應(yīng)于步驟440的缺陷。然后再次且連續(xù)地執(zhí)行該循環(huán)，直到去除缺陷，且存儲(chǔ)器單元并未處于鎖定失效模式且在存儲(chǔ)器單元的存儲(chǔ)器元件內(nèi)達(dá)到隨后的高電阻態(tài)。如同所述，恢復(fù)脈沖540的持續(xù)時(shí)間及強(qiáng)度在每一次重復(fù)中為一致。在某些實(shí)施例中，持續(xù)時(shí)間及強(qiáng)度其中之一或是兩者可在連續(xù)的循環(huán)中增加，使得在存儲(chǔ)器元件中可用以產(chǎn)熱的功率量由每一次重復(fù)而改變。當(dāng)本發(fā)明通過參考上述詳細(xì)的較佳實(shí)施例及范例而揭露時(shí)，其被了解的是，這些范例意欲用于說明而非限制之意。被預(yù)期的是修飾及組合將被本領(lǐng)域的技術(shù)人士立即發(fā)現(xiàn)，其修飾及組合將落于本發(fā)明的精神及隨附的權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于操作一存儲(chǔ)器單元的方法，該存儲(chǔ)器單元包含相變材料及可編程為包含一較高電阻態(tài)及一較低電阻態(tài)的多個(gè)電阻態(tài)，該方法包括 施加一第一偏壓設(shè)定到該存儲(chǔ)器單兀，以建立一目標(biāo)電阻態(tài)，該第一偏壓設(shè)定包含一第一脈沖，以引起通過該相變材料的一第一電流； 測(cè)定該存儲(chǔ)器單元在施加該第一偏壓設(shè)定之后并未處于該目標(biāo)電阻態(tài)； 響應(yīng)于該測(cè)定，施加一第二偏壓設(shè)定到該存儲(chǔ)器單元，該第二偏壓設(shè)定包含一第二脈沖，以引起通過該相變材料的一第二電流，其中該第一脈沖及該第二脈沖具有跨過該相變材料的相同的電壓極性，且該第二脈沖具有大于該第一脈沖的一電流強(qiáng)度；以及 在施加該第二偏壓設(shè)定之后，施加一接續(xù)的偏壓設(shè)定到該存儲(chǔ)器單元，以建立該目標(biāo)電阻態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中該第一電流足以融化一第一相變材料體積，且該第二電流足以融化大于該第一體積的一第二相變材料體積。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中該目標(biāo)電阻態(tài)為一復(fù)位態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中該目標(biāo)電阻態(tài)為一設(shè)定態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，還包含施加一第三偏壓設(shè)定，以建立與該目標(biāo)電阻態(tài)不同的一電阻態(tài)，且其中 該第三偏壓設(shè)定在該存儲(chǔ)器單元的一有源區(qū)中引起該相變材料的一或多個(gè)元件的分離；以及 該第二偏壓設(shè)定在該有源區(qū)中引起該被分離的元件的至少一部份的整合。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中該第一電流在該相變材料的一有源區(qū)中足以導(dǎo)致在一第一持續(xù)時(shí)間高于該相變材料的一融化溫度的溫度，且該第二電流在該有源區(qū)中足以導(dǎo)致在一第二持續(xù)時(shí)間高于該融化溫度的溫度，該第二持續(xù)時(shí)間大于或等于該第一持續(xù)時(shí)間。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中該第一電流在該相變材料的一有源區(qū)中足以導(dǎo)致在一第一持續(xù)時(shí)間高于該相變材料的一結(jié)晶溫度且低于該相變材料的一融化溫度的溫度，且該第二電流在該有源區(qū)中足以導(dǎo)致在一第二持續(xù)時(shí)間高于該相變材料的該融化溫度的溫度，該第二持續(xù)時(shí)間小于該第一持續(xù)時(shí)間。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，還包括 測(cè)定該存儲(chǔ)器單元在施加該接續(xù)的偏壓設(shè)定之后并未處于該目標(biāo)電阻態(tài)； 反復(fù)地施加一額外的偏壓設(shè)定到該存儲(chǔ)器單元以及測(cè)定該存儲(chǔ)器單元在施加該額外的偏壓設(shè)定之后并未處于該目標(biāo)電阻態(tài)，直到該存儲(chǔ)器單元處于該目標(biāo)電阻態(tài)或是一默認(rèn)定量的額外的偏壓設(shè)定已被施加。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中該額外的偏壓設(shè)定為該第一偏壓設(shè)定。
10.一種存儲(chǔ)器裝置，包括 一存儲(chǔ)器單元，包含相變材料及可編程為包含一高電阻態(tài)及一低電阻態(tài)的多個(gè)電阻態(tài)；以及 一控制器，用以施加偏壓設(shè)定到該存儲(chǔ)器單元，該偏壓設(shè)定包含 一第一偏壓設(shè)定，用以建立一目標(biāo)電阻態(tài)，該第一偏壓設(shè)定包括一第一脈沖，以引起通過該相變材料的一第一電流；一讀取偏壓設(shè)定，用以測(cè)定在施加該第一偏壓設(shè)定之后該存儲(chǔ)器單元是否處于該目標(biāo)電阻態(tài)； 一第二偏壓設(shè)定，用以若該存儲(chǔ)器單兀在施加該第一偏壓設(shè)定之后并未處于該目標(biāo)電阻態(tài)，施加包括一第二脈沖的該第二偏壓設(shè)定，以引起通過該相變材料的一第二電流，其中該第一脈沖及該第二脈沖具有跨過該相變材料的相同電壓極性，且該第二脈沖具有高于該第一脈沖的強(qiáng)度；以及 一接續(xù)的偏壓設(shè)定，用以在施加該第二偏壓設(shè)定之后建立該目標(biāo)電阻態(tài)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的存儲(chǔ)器裝置，其中該第一電流足以融化一第一相變材料體積，且該第二電流足以融化大于該第一體積的一第二相變材料體積。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的存儲(chǔ)器裝置，其中該目標(biāo)電阻態(tài)為一復(fù)位態(tài)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的存儲(chǔ)器裝置，其中該目標(biāo)電阻態(tài)為一設(shè)定態(tài)。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的存儲(chǔ)器裝置，其中該偏壓設(shè)定還包括針對(duì)一電阻態(tài)的一第三偏壓設(shè)定，該電阻態(tài)不同于該目標(biāo)電阻態(tài)，且其中 該第三偏壓設(shè)定在該存儲(chǔ)器單元的一有源區(qū)中引起該相變材料的一或多個(gè)元件的分離；以及 該第二偏壓設(shè)定在該有源區(qū)中引起該被分離的元件的至少一部份的整合。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的存儲(chǔ)器裝置，其中該第一電流在該相變材料的一有源區(qū)中足以導(dǎo)致在一第一持續(xù)時(shí)間高于該相變材料的一融化溫度的溫度，且該第二電流在該有源區(qū)中足以導(dǎo)致在一第二持續(xù)時(shí)間高于該融化溫度的溫度，該第二持續(xù)時(shí)間大于或等于該第一持續(xù)時(shí)間。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的存儲(chǔ)器裝置，其中該第一電流在該相變材料的一有源區(qū)中足以導(dǎo)致在一第一持續(xù)時(shí)間高于該相變材料的一結(jié)晶溫度且低于該相變材料的一融化溫度的溫度，且該第二電流在該有源區(qū)中足以導(dǎo)致在一第二持續(xù)時(shí)間高于該相變材料的該融化溫度的溫度，該第二持續(xù)時(shí)間小于該第一持續(xù)時(shí)間。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的存儲(chǔ)器裝置，還包括一電流限制電路，用以限制該第二電流為一預(yù)設(shè)定的電流最大強(qiáng)度。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的存儲(chǔ)器裝置，其中該控制器還包括邏輯，用以 施加該讀取偏壓設(shè)定，以測(cè)定該存儲(chǔ)器單元在施加該接續(xù)的偏壓設(shè)定之后是否處于該目標(biāo)電阻態(tài)；以及 若該存儲(chǔ)器單元在施加該接續(xù)的偏壓設(shè)定之后并未處于該目標(biāo)電阻態(tài)，則反復(fù)地施加一額外的偏壓設(shè)定到該存儲(chǔ)器單元以及在施加該額外的偏壓設(shè)定之后測(cè)定該存儲(chǔ)器單元并未處于該目標(biāo)電阻態(tài)，直到該存儲(chǔ)器單元處于該目標(biāo)電阻態(tài)或是一默認(rèn)定量的額外的偏壓設(shè)定已被施加。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的存儲(chǔ)器裝置，其中該額外的偏壓設(shè)定為該第一偏壓設(shè)定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高耐用度相變存儲(chǔ)器裝置及其操作方法，該相變基礎(chǔ)存儲(chǔ)器裝置及用于操作這類裝置的方法克服了設(shè)定或復(fù)位失效模式且導(dǎo)致了增進(jìn)的耐用度、可靠度及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存表現(xiàn)。高電流修復(fù)操作響應(yīng)于相變存儲(chǔ)器單元的設(shè)定或復(fù)位失效而進(jìn)行。較高電流修復(fù)操作可提供足夠的能量以反轉(zhuǎn)在相變材料中可在重復(fù)的設(shè)定及復(fù)位操作后發(fā)生的組成改變。通過反轉(zhuǎn)這些組成改變，本文所描述的技術(shù)可恢復(fù)經(jīng)歷過設(shè)定或復(fù)位失效的存儲(chǔ)器單元，藉此延長(zhǎng)存儲(chǔ)器單元的耐用度。如此一來，將提供具有高循環(huán)耐用度的相變基礎(chǔ)存儲(chǔ)器裝置及用于操作這類裝置的方法。
文檔編號(hào)G11C11/56GK102842341SQ20121019584
公開日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月23日
發(fā)明者杜姵瑩, 吳昭誼, 李明修, 金相汎, 林仲漢 申請(qǐng)人:旺宏電子股份有限公司, 國(guó)際商用機(jī)器公司