[发明专利]多级相变存储器器件和相关方法

说明书

优先权声明

本专利申请要求于2007年7月12日提交的韩国专利申请No. 10-2007-0070157的优先权，其整个内容因此通过引用的方式并入。

技术领域

这里所公开的示例实施例涉及一种半导体存储器器件，并且尤其 涉及一种相变存储器器件以及相关方法。

背景技术

因为半导体存储器器件的优点而使对半导体存储器器件的需求增 加。例如，半导体存储器器件的一些优点是随机可存取性以及比其他 存储器器件高的集成度和容量存储。作为半导体存储器器件的闪速存 储器器件通常用在各种便携式电子设备中。除此之外，传统地使用代 替非易失性材料的动态随机存取存储器（DRAM）的电容器的半导体 存储器器件。示例是使用铁电电容器的铁电RAM（FRAM）、使用隧 道磁阻层（TMR）的磁RAM（MRAM）以及使用硫化物合金的相变存 储器器件。多级相变存储器器件是其制造处理相对简单以便可实现低 成本高容量存储器的非易失性存储器器件。

相变存储器单元通常使用可在各种结构态之间电变化的不同材 料。各种结构态分别表示不同的电读出特性。例如，存在由硫族化物 材料（在下文中称为GST材料），也就是锗（Ge）-锑（Sb）-碲（Te） 化合物，所形成的存储器器件。将GST材料编程为通常具有相对高电 阻率的无定形状态与通常具有相对低电阻率的晶体状态之间的状态。 可以通过加热GST材料来对相变存储器器件进行编程。加热的持续时 间和温度可确定GST材料是保持在无定形状态还是晶体状态。高电阻 率和低电阻率分别表示通过对GST材料的电阻进行测量所检测到的编 程值0和1。

在典型的相变存储器器件中，存储器单元包括电阻器件和开关器 件。图1A和1B是表示相变存储器器件的存储器单元的电路图。参考 图1A，相变存储器器件的存储器单元10包括电阻器件（即可变电阻 器11和开关器件（即存取晶体管12）。

如图1A所示，可变电阻器11与比特线BL连接，并且存取晶体 管12连接在可变电阻器11与地之间。字线WL与存取晶体管12的栅 极连接。一旦将期望和/或预定电压施加到字线WL上，存取晶体管12 则导通。一旦存取晶体管12导通，可变电阻器11接收流过比特线BL 的电流。

图1B是存储器单元20的电路图。存储器单元20包括作为电阻器 件的可变电阻器21以及作为开关器件的二极管22。二极管22根据字 线电压而导通或截止。

可变电阻器11和21包括相变材料（未示出）。相变材料具有两 个稳定状态（例如晶体状态和无定形状态）中的一个。相变材料根据 通过比特线BL所供给的电流而变成晶体状态或无定形状态。对相变存 储器器件的数据进行编程利用了相变材料上述特性的优势。开关器件 可以由诸如MOS晶体管和二极管这样的多种器件实现。

图2是示出可用作可变电阻器的相变材料的特性的曲线图。图2 的曲线（1）表示可使相变材料变成无定形状态的温度条件。图2的曲 线（2）表示可使相变材料变成晶体状态的温度条件。参考曲线（1）， 在通过供给电流脉冲以直至时间T1而将相变材料加热到比熔融温度 Tm高的温度并且此后将相变材料的温度快速淬冷（quenching）之后， 相变材料变为无定形状态。将该无定形状态称为复位状态并且与数据1 相对应。参考曲线（2），下述过程之后相变材料变为晶体状态，所述 过程是：在比时间T1长的时间T2内，以比结晶温度Tc高但比熔融温 度Tm更低的温度加热相变材料，并且此后以下述速率来淬冷相变材料 的温度，所述速率比用于淬冷相变材料的温度以将材料设置为无定形 状态的速率要低。将该晶体状态称为设置状态并且与数据0相对应。 存储器单元的电阻根据无定形状态体积而变化。典型地，当相变材料 处于无定形状态时存储器单元的电阻最高，并且当相变材料处于晶体 状态时存储器单元的电阻最低。

近来，将不止2比特的数据存储到一个存储器单元中的技术处于 发展之中。通常将这类存储器单元称为多级单元（MLC）。在相变存 储器器件中，MLC具有复位状态与设置状态之间的中间状态。

发明内容

示例实施例提供了一种具有高分辨率读取性能的多级相变存储器 器件以及其读取方法。