[发明专利]用于珀耳帖控制的相变存储器的方法和结构

说明书

技术领域

本发明一般涉及存储器和存储单元，尤其涉及非易失性存储器或存储单元。更特别地，当仅相变材料(PCM)的薄层被用于存储存储单元的信息状态时，珀耳帖元件同时对PCM元件提供加热和冷却，以大大改善速度和可控性。

背景技术

作为存储器的最广泛使用的形式，动态随机存取存储器(DRAM)具有大量的已知的缺点。首先，存储器是易失性的，这意味着它在计算机或设备断电时会丢失数据。第二，它相对较慢。第三，希望大大减小存储器“覆盖区(footprint)”(例如，存储单元的物理尺寸)。

这些缺点导致希望提出新型的非易失性存储器、相变存储器或PRAM。

可以在晶体或非晶相状态中共存的相变材料(PCM)当前是商业光学CD-RW盘技术以及新提出的PRAM的基础。在CD-RW中，盘上的位斑(bit-spot)可处于两种相状态中的任一种中。如图1所示，由外来激光加热完成的热循环使两种状态100相互转变。非晶到晶体转变涉及低于熔点的退火(“设置”过程)，而晶体到非晶转变涉及熔融和之后的快速淬火(“复位”过程)。通过利用两种相的不同的光学反射性读取各个斑点。

所有的当前的PRAM设计(这里称为“常规的”)都是源于基于具有高电阻的非晶状态和低电阻的晶体状态的一般简称为GST的三元PCM成分GeSbTe(锗锑碲)的概念。一般使用的GST是Ge₂Sb₂Te₅(以下，称为“GST 225”)。

为了从导电状态转变为电阻状态，使电流通过PCM，通过内部焦耳加热将其熔化，然后淬火到电阻状态。从电阻状态转变成导电状态包含首先将PCM驱动到电击穿，然后通过电流以退火到导电状态。读取过程利用容易分辨的两种状态的不同的电阻率。

但是，由于电击穿过程是非线性的并且不容易被控制，因此仍需要改善PRAM设计。并且，当前的PRAM太慢因此不能与DRAM有效竞争。

另外，鉴于以上指出的DRAM的缺点，PRAM设计的改善理想地另外针对这些缺点中的一个或更多个，由此使得PRAM能在至少一些应用中成功地与DRAM竞争。

发明内容

鉴于常规系统的以上和其它示例性问题、缺点和不利之处，本发明的示例性特征是提供改进的PRAM存储单元。

本发明的另一示例性特征是提供可通过设置用于更迅速地从用于在单元中放置(例如，存储)信息的加热循环转变的冷却元件，将信息更迅速地放置(例如，存储)到PRAM存储单元中的技术。

为了实现上述示例性特征和其它特征，在本发明的第一示例性方面中，这里说明一种存储单元，该存储单元包括：存储信息位的相变材料(PCM)元件；用于改变信息位的PCM元件外部的加热元件；和用于增大改变信息位的速度的冷却元件。

在本发明的第二示例性方面中，这里还说明了一种包括非易失性存储器阵列的装置。该非易失性存储器阵列包含：以行和列的阵列配置的多个存储单元；用于各行的字线，该字线与行中的各存储单元连接；用于各列的位线，该位线与列中的各存储单元连接；和各位线中的感测放大器。存储单元中的至少一个包含：相变材料(PCM)元件；和PCM元件外部的加热/冷却元件。

在本发明的第三示例性方面中，这里还说明了一种用于增大相变材料PCM随机存取存储器(PRAM)的速度的方法，该方法包括：设置冷却元件，以在PCM材料被加热以改变PRAM存储单元中的信息位后加速冷却过程。

在本发明的第四示例性方面中，这里还说明了一种形成非易失性存储单元的方法，该方法包括：在衬底上形成加热/冷却元件；和在加热/冷却元件附近形成相变材料(PCM)的一部分。

在本发明的第五示例性方面中，这里还说明了一种存储单元，该存储单元包括：存储信息位的相变材料(PCM)元件；和位于PCM元件的表面附近的珀耳帖器件。珀耳帖器件用于选择性地加热/冷却PCM元件的表面。信息位被存储在PCM元件内邻近最接近珀耳帖器件的表面的PCM层内，并且存储信息位的PCM层的厚度在纳米范围内。

因此，本发明提供改进的PRAM存储单元，其中，冷却元件通过减少用于在非晶和晶体状态之间转换的时间量增大用于建立信息位的开关速度，由此提供与常规的PRAM器件相比得到改进的性能、速度和尺寸，并给出作为存储类存储器大有前途的有利的新技术。