[发明专利]相变式存储装置和其操作方法

说明书

技术领域

本发明是关于一种以相变存储材料为基础的存储装置及其操作方法， 其中相变式(phase change based)存储材料包括硫属化物式 (chalcogenide based)材料和其它材料。

背景技术

相变式(phase change based)存储材料的相位，例如硫属化物式 (chalcogenide based)材料和类似的材料，可以利用适合集成电路实施的 不同大小电流，导致非晶态(amorphous)和结晶态(crystalline)之间的相 位改变。一般非晶态相较于一般结晶态有着高电阻的特性，而在结晶态可 轻易地被感测以指出资料。相变材料的特性引起人们对它的兴趣，并被用 来制造以随机存取的方式被读取或被写入的非挥发性(nonvolatile)存储 电路。

从非晶态转变为结晶态在此被称为设定(set)，通常是一低电流操作， 其中电流加热相变式存储材料使其温度超过转态温度，使有源区由非晶态 转态为结晶态。从结晶态转变为非晶态在此被称为重设(reset)，通常是 一较高电流操作，包括在一瞬间大电流密度的脉冲用来熔融或破坏结晶构 造之后，相变材料迅速冷却，淬冷相变工艺且使至少部分有源区能在非晶 态呈现稳定状态。

传统上，相变存储装置的两个效能瓶颈是设定操作的速度过慢和恢复 时间过长。

传统相变存储装置的设定操作通常比读取和重设操作需要更多时间。 请参照U.S.Patent No.6,545,907，相对低速的设定操作限制了装置的整 体运作速度，并局限相变式存储电路做为高速存储器的使用。

此外，在一脉冲宽度为100ns的重设脉冲之后，需要用来稳定临界电 压和相变材料阻值的恢复(或松弛)时间为30纳秒(ns)以上。请参照 “Recovery and Drift Dynamics of Resistance and Threshold Voltages  in Phase-Change Memories”，by lelmini et al.，IEEE Transactions on  Electron Devices，Vol.54 No.2，2 February 2007，pp.308-315。重设脉 冲过长和恢复时间过长让相变存储装置，无法用于在编程或擦除周期之后 需要高速读取操作的应用。

因此，为了达到在集成电路中各种功能的存储器效能需求，应用相变 式存储电路的集成电路通常亦包括其它种类的存储电路。各种存储电路被 嵌入于集成电路中的各个区域，而且为了提供集成电路需要的高速存取存 储器，通常存储电路包括SRAM或DRAM存储电路。然而，整合多种应用于 集成电路中的各类存储电路并不容易，并导致设计变得复杂。

人们因而期待有一种相变存储装置及方法，其可克服上述效能限制， 并延伸他们的用途至极高速操作的应用。

发明内容

相变存储器中，储存资料是利用电流加热相变材料导致有源区在非晶 态和结晶态之间转态。

然而，紧接着电流中止之后，相变材料有一瞬时阻值行为，且相变材 料在稳定至一对应于储存资料的阻值之前，需要一段恢复时间。可由瞬时 阻值行为观察到从非晶态至结晶态的转变，同样的可由瞬时阻值行为观察 到从结晶态至非晶态的转变。传统上，恢复时间被认为是一常数。

因此，相变材料的恢复时间限制了在设定或重设操作之后相变存储器 的读取速度。

在此描述的操作方法是以下列令人惊讶的发现为基础，当编程脉冲宽 度小于或等于25纳秒(ns)左右，相变材料的恢复时间降低为编程脉冲宽 度的一函数。因此，施加小于或等于25ns左右的编程脉冲宽度，可显著 降低恢复时间，相较于以往观察到的。

以此方式，编程脉冲宽度和编程脉冲和读取脉冲之间的时段的总和小 于或等于70ns，展示了在编程操作后的高速读取。在一些实施例中，其总 和小于或等于50ns，在某些实施例中，甚至小于或等于15ns。因此，相 变存储元件可用于高速操作，此高速操作例如是DRAM和SRAM的典型需求。