基于數(shù)字雙向脈沖對(duì)相變存儲(chǔ)單元非晶態(tài)和晶態(tài)剪裁的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微電子學(xué)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于數(shù)字雙向脈沖對(duì)相變存儲(chǔ)單元非晶態(tài)和晶態(tài)剪裁的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自1968年奧弗辛斯基(Stanford R.0vshinsky)發(fā)現(xiàn)了相變材料能在晶態(tài)和非晶態(tài)之間可逆轉(zhuǎn)變以來，相變材料在光存儲(chǔ)CD-RW和DVD上得到了成功應(yīng)用。相變材料利用所施加的電脈沖產(chǎn)生的焦耳熱控制相變材料從晶態(tài)到非晶態(tài)之間的轉(zhuǎn)換存，兩種形態(tài)的電阻差異使其可用于存儲(chǔ)信息。從材料的觀點(diǎn)來看，所施加的電脈沖實(shí)際上是對(duì)材料晶態(tài)或非晶態(tài)的剪裁。
[0003]目前，相變材料電脈沖剪裁的方法主要有單脈沖幅度調(diào)制，單脈沖寬度調(diào)制，單個(gè)RESET脈沖下降沿斜率調(diào)制，雙脈沖間隔調(diào)制，等幅脈沖序列調(diào)制，升幅脈沖序列調(diào)制，階梯脈沖調(diào)制等。其特點(diǎn)都是單極性脈沖，換言之，都是從相變單元的一個(gè)帶加熱器的電極端施加，剪裁的非晶態(tài)或晶態(tài)區(qū)域一般認(rèn)為在加熱的電極端形成蘑菇狀，并假設(shè)了非晶態(tài)區(qū)域與晶態(tài)區(qū)域之間沒有過渡區(qū)。根據(jù)電阻公式R= P L/A(p是塊狀材料的電阻率，L是塊狀長度，A是塊狀的截面積)可知非晶態(tài)電阻估算較為復(fù)雜，因?yàn)檠刂上孪蛏想姌O方向蘑菇形不同位置的截面積是逐漸減小，隨著蘑菇形的長大，L和A都在變，非晶態(tài)電阻同時(shí)會(huì)受到長度和截面積影響，此外，在近加熱端與遠(yuǎn)離加熱端的剪裁對(duì)所施加脈沖參數(shù)的選擇非常不同，這也對(duì)脈沖的優(yōu)化增加了困難。特別是這類脈沖施加的出發(fā)點(diǎn)是剪裁非晶態(tài)或晶態(tài)，根本沒考慮電阻漂移抑制問題。
[0004]因此，通過上述剪裁方法精確控制非晶態(tài)電阻比較困難，在納米尺度上控制它線性變化更困難。另一方面，單極脈沖所產(chǎn)生的焦耳熱形成的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)弛豫也會(huì)對(duì)相變存儲(chǔ)單元性能產(chǎn)生不良影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種基于數(shù)字雙向脈沖對(duì)相變存儲(chǔ)單元非晶態(tài)和晶態(tài)剪裁的方法，其目的在于采用不同極性的RESET脈沖和SET脈沖分時(shí)或同時(shí)施加給相變存儲(chǔ)單元，以消除電阻漂移，減小非晶態(tài)結(jié)構(gòu)弛豫，實(shí)現(xiàn)對(duì)相變存儲(chǔ)單元晶態(tài)非晶態(tài)的精確剪裁。
[0006]本發(fā)明提供了一種基于數(shù)字雙向脈沖對(duì)相變存儲(chǔ)單元非晶態(tài)和晶態(tài)剪裁的方法，包括下述步驟:
[0007]通過在所述相變存儲(chǔ)單元的兩個(gè)電極上分別施加不同極性的RESET脈沖和SET脈沖，使得所述相變存儲(chǔ)單元中非晶化區(qū)的體積在脈沖調(diào)制作用下的形狀為圓柱體；
[0008]通過對(duì)兩個(gè)電脈沖的幅值、脈寬、脈沖間隔或極性進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得所述相變存儲(chǔ)單元的電阻與所述脈沖幅值、脈寬或脈沖間隔呈線性關(guān)系。
[0009]其中，所述RESET脈沖為幅值為2V?5V且脈寬為1ns?50ns的電壓脈沖，其作用為令相變材料非晶化；所述SET脈沖為幅值為0.5V?1.2V、脈寬為10ns?500ns的電壓脈沖，其作用為令相變材料晶化。
[0010]更進(jìn)一步地，在所述相變存儲(chǔ)單元的兩個(gè)電極上分時(shí)或同時(shí)施加不同極性的RESET脈沖和SET脈沖。
[0011]更進(jìn)一步地，在所述相變存儲(chǔ)單元的一個(gè)電極上施加正極性RESET脈沖，另一電極上施加負(fù)極性SET脈沖；或者在一個(gè)電極上施加負(fù)極性RESET脈沖，另一電極上施加正極性SET脈沖。
[0012]更進(jìn)一步地，脈沖的形式包括:
[0013](I)當(dāng)RESET脈沖為多個(gè)連續(xù)脈沖時(shí)，SET脈沖為恒定幅值直流輸入；
[0014](2) RESET脈沖為多個(gè)連續(xù)恒定幅值等脈寬等間隔脈沖，SET脈沖為多個(gè)連續(xù)恒定幅值等脈寬等間隔脈沖；
[0015](3)RESET脈沖恒定幅值等脈寬、脈沖間隔線性遞增或遞減，SET脈沖為多個(gè)連續(xù)恒定幅值等脈寬等間隔脈沖；
[0016](4) SET脈沖恒定幅值等脈寬、脈沖間隔線性遞增或遞減，RESET脈沖為多個(gè)連續(xù)恒定幅值等脈寬等間隔脈沖；
[0017](5)RESET脈沖恒定幅值等脈寬、脈沖間隔線性遞增或遞減，SET脈沖恒定幅值等脈寬、脈沖間隔線性遞增或遞減。
[0018]更進(jìn)一步地，在(I)中，所述RESET脈沖為脈沖間隔線性遞增或線性遞減的脈沖，即調(diào)節(jié)脈沖間隔。
[0019]更進(jìn)一步地，在(I)中，在相鄰的兩個(gè)RESET脈沖間加入單個(gè)極性與RESET脈沖相同或相反的恒定幅值SET脈沖，即在一電極施加同時(shí)具有RESET和SET性質(zhì)的脈沖。
[0020]更進(jìn)一步地，在⑵、⑶、⑷、(5)中，脈沖施加方式包括:
[0021 ] (a)在每兩個(gè)相鄰RESET脈沖之間加入一個(gè)恒定幅值且極性相同的SET脈沖；
[0022](b)在每兩個(gè)相鄰RESET脈沖之間加入一個(gè)恒定幅值且極性相反的SET脈沖；
[0023](c)在每兩個(gè)相鄰SET脈沖之間加入一個(gè)恒定幅值且極性相同的RESET脈沖；
[0024](d)在每兩個(gè)相鄰SET脈沖之間加入一個(gè)恒定幅值且極性相反的RESET脈沖。
[0025]本發(fā)明相比于現(xiàn)行的單向脈沖剪裁方式，雙向脈沖剪裁使存儲(chǔ)單元非晶態(tài)區(qū)域近似為圓柱形，非晶態(tài)電阻易于達(dá)到精確控制；同時(shí)，SET脈沖可以消除過渡區(qū)域，且其產(chǎn)生的溫度梯度延伸到非晶態(tài)區(qū)域的溫度小于晶化溫度，可達(dá)到對(duì)非晶態(tài)區(qū)域進(jìn)行退火處理，縮短焦耳熱形成的非晶態(tài)弛豫有效減小電阻漂移和隨機(jī)波動(dòng)問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)相變存儲(chǔ)單元晶態(tài)非晶態(tài)的精確剪裁。
【附圖說明】
[0026]圖1是相變存儲(chǔ)器單元的基本結(jié)構(gòu)圖。
[0027]圖2是線性雙極性脈沖剪裁原理。RESET脈沖控制非晶化區(qū)域體積，SET脈沖控制晶化區(qū)域體積。線性剪裁的基本原理是根據(jù)電阻公式R = P L/A，如果相變層薄膜的電阻率不變，那么只要截面積不變，電阻即與長度成正比。由于電脈沖剪裁的前端都是蘑菇形，利用蘑菇形對(duì)剪實(shí)現(xiàn)非晶態(tài)區(qū)域和晶態(tài)區(qū)域都接近為圓柱形。
[0028]圖3是單元電阻與雙脈沖間隔調(diào)制的關(guān)系?？芍^大范圍內(nèi)單元電阻與雙脈沖間隔調(diào)制成線性關(guān)系。這表明采用混合調(diào)制策略能使電阻線性變化的范圍更大。
【具體實(shí)施方式】
[0029]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0030]本發(fā)明提供的一種基于數(shù)字雙向脈沖對(duì)相變存儲(chǔ)單元非晶態(tài)和晶態(tài)剪裁的方法是一種應(yīng)用在微納尺寸相變存儲(chǔ)器單元的數(shù)字式雙向脈沖剪裁方法；通過采用不同極性的RESET脈沖和SET脈沖分時(shí)或同時(shí)施加給相變存儲(chǔ)單元，以消除電阻漂移，減小非晶態(tài)結(jié)構(gòu)弛豫，達(dá)到對(duì)相變存儲(chǔ)單元晶態(tài)非晶態(tài)的精確剪裁。
[0031]在本發(fā)明實(shí)施例中，RESET脈沖指幅值為2?5V、脈寬為10?50ns的電壓脈沖，SET脈沖指幅值為0.5?1.2V、脈寬為100?500的電壓脈沖。
[0032]按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種數(shù)字雙向脈沖的相變單元剪裁方法。該方法的具體內(nèi)容是在相變單元的上下兩個(gè)電極都施加特定電脈沖。
[0033]通過以上構(gòu)思，按照本發(fā)明的剪裁方法，一方面可以通過改變兩端施加不同的脈沖來實(shí)現(xiàn)非晶態(tài)前端剪裁，以達(dá)到非晶態(tài)區(qū)域近似為圓柱形，使非晶態(tài)電阻與脈沖調(diào)制方式呈線性關(guān)系，便于對(duì)非晶態(tài)電阻進(jìn)行精確控制。另一方面，當(dāng)加熱器端電極通RESET脈沖，另一電極通SET脈沖時(shí)，SET脈沖可以消除過渡區(qū)域，且其產(chǎn)生的溫度梯度延伸到非晶態(tài)區(qū)域的溫度小于晶化溫度，可達(dá)到對(duì)非晶態(tài)區(qū)域進(jìn)行退火處理，縮短焦耳熱形成的非晶態(tài)弛豫。
[0034]在本發(fā)明實(shí)施例中，SET脈沖和RESET脈沖可以是同時(shí)輸入，也可以分時(shí)輸入。同時(shí)輸入更有利于縮短調(diào)制時(shí)間，而分時(shí)輸入較易于操作和實(shí)現(xiàn)。
[0035]在本發(fā)明實(shí)施例中，存儲(chǔ)單元可以為T型結(jié)構(gòu)Ge2Sb2Te5相變存儲(chǔ)單元，脈沖施加方式可以為:(I)在一電極通以正極性RESET脈沖，另一電極通負(fù)極性SET脈沖；(2)加一電極通以負(fù)極性RESET脈沖，另一電極通正極性SET脈沖。由于RESET脈沖影響非晶化區(qū)域體積，SET脈沖影響晶化區(qū)域體積，通過在兩端分別施加RESET脈沖和SET脈沖，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)非晶化區(qū)域前端的剪裁，使非晶態(tài)區(qū)域接近于圓柱形。
[0036]在本發(fā)明實(shí)施例中，上述兩種極性脈沖施加方式中:
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