[发明专利]用于相变存储器存储单元的低应力多级读取的方法和多级相变存储器设备

说明书

技术领域

本发明的实施方式涉及一种用于相变存储器存储单元的低应力多级读取的方法和一种多级相变存储器设备。

背景技术

众所周知，相变存储器使用一种具有在具有不同电特性的两个相位之间切换的性质的材料，所述两个相位与材料的两种不同晶体结构相关：非晶形的、无序的相位、以及结晶的或多晶的、有序的相位。因此这两个相位与相当不同的值的电阻率相关。

目前，可以在相变存储器存储单元中有利地使用诸如Te或Se等周期表第VI族元素的合金，该合金称为硫族化物或硫族元素材料。目前最有前途的硫族化物由也称为GST的Ge、Sb和Te的合金(Ge₂Sb₂Te₅)组成，其现在被广泛用于将信息存储在可覆写磁盘上，并且还被提出用于海量存储。

在硫族化物中，当材料从非晶形(电阻性更大)的相位转为结晶的(导电性更大)相位时，电阻率改变两个或更多数量级，反之亦然。

可以通过局部提高温度来获得相变。在150℃以下，两种相位都是稳定的。从非晶形状态开始，并使温度升高至200℃以上，存在晶粒的快速成核现象，并且如果使材料保持在结晶温度足够长的时间，则该材料经历相变并变成晶体。为了使硫族化物回到非晶形状态，必须使温度升高至熔融温度(大约600℃)以上，并随后快速地冷却硫族化物。

已经提出了采用硫族元素材料的性质的存储器设备(也称为相变存储器设备)。

在许多文献中公开了适合于在相变存储器设备和相变元件的可能结构中使用的硫族化物的组成物(参见例如US 5,825,046)。

如在EP-A-1326254(对应于US-A-2003/0185047)中所讨论的，相变存储器设备的存储元件包括硫族元素材料和电阻性电极，也称为加热器。

事实上，从电学观点出发，通过促使电流流过与硫族元素材料接触或紧密接近的电阻性电极并因此通过焦耳效应将硫族元素材料加热来获得结晶温度和熔融温度。

特别地，当硫族元素材料处于非晶形、高电阻率状态(也称为复位状态)时，必须施加适当长度和振幅的电流脉冲并允许硫族元素材料慢慢地冷却。在此条件下，硫族元素材料改变其状态并从高电阻率状态切换到低电阻率状态。更确切地说，根据脉冲的持续时间和振幅，可以通过硫族元素存储元件来形成不同受控导电性的结晶路径。实际上，可以通过施加适当的电流分布来调整结晶路径的平均横截面。因此，可以可重复地将相变材料的电阻率设置为多个层级之一，从而提供多级相变存储器，其可以在每个存储单元中存储一个位以上。

可以通过高振幅电流脉冲和快速冷却使硫族元素材料相反地转变回非晶形状态。

与任何其它微电子设备一样，多级相变存储器必须克服越来越需要的对缩放(scaling)的要求。事实上，与有意义的信号相比，缩放常常导致干扰增加并因此影响信噪比。例如，在多级相变存储器中，缩放引起对应于不同编程层级的集中分布，因此可用于区别不同层级的裕度减小。而且，选择器和加热器具有更大的电阻，这导致用于给定读取电压的输出电流更小。

另一方面，读取电压必须保持低于安全值且不能无限地增大。否则，事实上，硫族化物中的温度可能在读取期间升高至发生相位切换的程度。还已知随着读取电压接近安全值，硫族化物存储元件显示出增加的从非晶形状态或结晶状态的漂移。虽然单一的读取操作不改变存储在存储单元中的数据，但多次重复可能影响保留数据的长期能力并引起错误。

本发明的目的是提供不受上述限制的一种用于相变存储器存储单元的多级读取的方法和一种多级相变存储器设备。

根据本发明的实施方式，提供了用于相变存储器存储单元的多级读取的方法和一种多级相变存储器设备。

发明内容

根据本发明的实施方式，提供了一种用于相变存储器存储单元的多级读取的方法，该方法包括：

选择位线和耦合到所选位线的相变存储器存储单元；

向所述所选位线施加第一偏压(V_BL、V₀₀)；