[发明专利]相变存储器装置和控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种包括多个相变存储器单元的相变存储器装置，每一个单元包括在第一电极和第二电极之间导电连接的相变材料，所述第一电极和所述第二电极用于向所述相变材料施加具有预定极性的复位电流脉冲。

本发明还涉及控制这种相变存储器的方法。

背景技术

由于相变存储器(PCM)装置不要求持久电源就能够保持数据，相变存储器装置在半导体领域吸引了相当多的注意力。这使得PCM装置比得上广泛采用的闪速存储器装置。然而，因为PCM装置与闪速存储器装置相比具有较好的切换速度，普遍认为PCM装置更加具有吸引力，因为更高的切换速度将准许包括这种PCM装置或者存取这种PCM装置的集成电路处理性能的提高。

图1示出了PCM单元10的示意性表示。所述PCM单元10典型地包括二极管元件12，所述二极管元件可以使用一个或多个使能晶体管来实现，所述使能晶体与字线20和位线30之间的可变电阻器14串联连接。所述可变电阻器包括硫族元素材料，所述硫族元素材料可以在非晶态和结晶态之间切换，具有表现出不同本征电阻系数的两个状态。

在包括PCM单元的存储器装置的读取模式下，通过确定流过所述PCM单元的电流的幅度来利用这种差别，所述电流幅度与预定二进制值相关联。

在写入模式下，使所述可变电阻器受到电流脉冲，引起所述硫族元素材料中的相变。典型地，通过将所述硫族元素材料受到具有足以引起所述硫族元素熔化的幅度的电流脉冲来获得高阻非晶态，所述高阻非晶态有时也称作复位态，而通过使所述硫族元素材料受到具有比使得所述PCM单元成为复位态所要求的电流脉冲更低幅度但是更长持续时间的电流脉冲来获得所述低阻结晶态，所述低阻结晶态有时也称作设置态。

与PCM装置相关联的问题之一是其逐渐变得难以将所述硫族元素材料在这两个状态之间切换，导致停留在设置态和停留在复位态的故障。例如，M.H.R.Lankhorst等人在Nature Material，2005(4)，第865-866页的“Low-cost and nanoscale non-volatile memory concept for future silicon chips”已经报道了由材料电阻对于相变的变化引起的这种故障。典型地，这种故障开始出现于PCM单元10⁶～10⁹次切换循环之后。

已经发现施加到PCM单元的脉冲宽度可以对于所述硫族元素材料的寿命具有影响。例如，S.Lai等人在IEDM 2003，第10.1.1-10.1.4页已经报道了在使用Ge₂Sb₃Te₅作为硫族元素材料的垂直PCM单元中，复位-切换退化的程度依赖于施加到所述PCM单元的复位态的脉冲宽度。

在Lankhorst等人所公开的线单元中也观察到了类似的行为。例如单元的示例如图2所示。所述线单元具有由电介质46分离的第一电极42和第二电极44，包括安装到所述电极上的硫族元素材料50。这里是掺杂Sb-Te硫族元素的硫族元素材料50包括线部分52，所述线部分52具有预定的宽度W、长度L和厚度T。因为所述线部分52具有比体材料硫族元素部分50更高的电阻，可以将所述材料的相变限制在所述线部分52，这允许这种线单元非常迅速的切换。这种单元也论证了复位-切换退化行为，即设定态的退化行为，这直接涉及所采用的复位电流脉冲的脉冲宽度。

由于各种原因，诸如上述复位-切换退化之类的性能退化是不希望的，并且可以阻止PCM装置成为例如CMOS集成电路中的主流存储器装置，因为其在PCM装置的长期可靠性方面存在疑问。

Lee等人在2008年的非易失性半导体存储器工作组和2008年的存储器技术和设计国际会议NVSMW/ICMTD2008的第46-48页的“A novel programming method to refresh a long-cycled phase change memory cell”中公开了可以通过在编程周期期间周期性地引入纠正相反极性电流脉冲来解决由硫族元素材料的原子移动引起的基于Ge₂Sb₂Te₅硫族元素材料PCM的停留在设置态的行为。然而，这具有以下缺点：必须暂时中断器件操作，从而允许在施加这些纠正脉冲期间执行这些修补周期。

发明内容

本发明试图提供一种具有防止停留在设置态和停留在复位态故障的改进鲁棒性的PCM，而不会对器件性能进行折中。