[发明专利]具有交替选择的相变存储阵列块

说明书

相关申请

本申请要求2010年4月27日提交的美国临时专利申请No.61/328,421的权益，该申请的全部内容通过引用合并到本申请中。

技术领域

本发明总体上涉及半导体存储器。更具体地，本发明涉及相变存储器。

背景技术

至少一种类型的相变存储器件——PRAM（相变随机存取存储器）——使用非晶态表示逻辑“1”并使用晶态表示逻辑“0”。在PRAM器件中，晶态被称为“置位状态”，并且非晶态被称为“复位状态”。因此，PRAM中的存储单元通过将该存储单元中的相变材料设置成晶态来存储逻辑“0”，而且该存储单元通过将相变材料设置成非晶态来存储逻辑“1”。

通过将相变材料加热到高于预定熔融温度的第一温度并之后快速冷却该相变材料而将PRAM中的相变材料转换成非晶态。通过将相变材料加热到比熔融温度低但高于结晶温度的第二温度并保持一定的时间而将该相变材料转换到晶态。因此，通过使用上面描述的加热和冷却使PRAM的存储单元中的相变材料在非晶态与晶态之间转换，能够将数据编程到PRAM中的存储单元中。

PRAM中的相变材料典型地包括含有锗（Ge）、锑（Sb）和碲（Te）的化合物，即“GST”化合物。GST化合物非常适用于PRAM，因为其能够通过加热和冷却而在非晶态与晶态之间快速转换。除了GST化合物之外,或者作为GST化合物的替代，各种其他的化合物也能够用于相变材料。其他化合物的示例包括但不局限于二元素化合物（诸如GaSb、InSb、InSe、Sb2Te3和GeTe）、三元素化合物（诸如GeSbTe、GaSeTe、InSbTe、SnSb2Te4和InSbGe）或者四元素化合物（诸如AgInSbTe、(GeSn)SbTe、GeSb(SeTe)和Te81Ge15Sb2S2）。

PRAM中的存储单元称为“相变存储单元”。相变存储单元典型地包括顶电极、相变材料层、底电极触点、底电极和存取晶体管。通过测量相变材料层的电阻来对相变存储单元执行读操作，以及通过如上所述那样对相变材料层进行加热和冷却来对相变存储单元执行编程操作。

相变存储器件典型地包括存储单元阵列、写入驱动电路和列选择电路。存储单元阵列具有多个块单元(block unit)和多个字线驱动器。多个块单元中的每个块单元连接在所述多个字线驱动器中的一对邻近字线驱动器之间，并包括多个存储块。写入驱动电路包括多个写入驱动单元。每个写入驱动单元包括适用于向多个块单元中的相应块单元提供各自的编程电流的多个写入驱动器。列选择电路连接在存储单元阵列与写入驱动电路之间，并适用于响应于列选择信号来选择多个存储块中的至少一个存储块，以向多个存储块中的至少一个存储块提供相应的编程电流。

图1A描绘了采用MOS晶体管的示例性相变存储单元。参照图1A，存储单元10包括相变电阻元件11（也标记为“GST”），该相变电阻元件包括GST化合物和N型金属氧化物半导体（NMOS）晶体管12（也标记为“NT”）。相变电阻元件11连接在位线B/L与NMOS晶体管12之间。NMOS晶体管12连接在相变电阻元件11与地之间。另外，NMOS晶体管12具有连接到字线W/L的栅极。

响应于被施加到字线W/L的字线电压，NMOS晶体管12导通。当NMOS晶体管12导通时，相变电阻元件11通过位线B/L接收电流。在图1A所示的特定示例中，相变电阻元件11连接在位线B/L与NMOS晶体管12之间，相变电阻元件11能够替代地被连接在NMOS晶体管12与地之间。

图1B描绘了示例性的二极管型相变存储单元。参照图1B，存储单元20包括连接到位线B/L的相变电阻元件21（也标记为“GST”）和连接在相变电阻元件21与字线W/L之间的二极管22（也标记为“D”）。相变存储单元20通过选择字线W/L和位线B/L被访问。为了使相变存储单元20能够恰当地工作，当字线W/L被选择时，字线W/L必须具有比位线B/L更低的电压电平（这是正向偏置情况），从而电流能够流过相变电阻元件21。如果字线W/L具有比位线B/L高的电压，则二极管22被反向偏置而且没有电流流过相变电阻元件21。为了确保字线W/L具有比位线B/L更低的电压电平，当被选择时，字线W/L通常连接到地。

在图1A和1B中，相变电阻元件11和21能够可替换地被广泛地称为“存储元件”，并且NMOS晶体管12和二极管22能够可替换地被广泛地称为“选择元件”。