[发明专利]电阻式存储器件和其操作方法

说明书

本发明提供一种电阻式存储器件，其包括：存储器单元阵列，该存储器单元阵列包括耦接于字线与位线之间的单位存储器单元，其中单位存储器单元包括串联耦接的数据储存材料和基于非硅衬底型双向存取器件；路径设定电路，耦接于位线与字线之间，适用于基于路径控制信号、正向写入命令和反向写入命令而向位线或字线提供编程脉冲；以及控制单元，适用于基于外部命令信号而提供写入路径控制信号、正向编程命令和反向编程命令。

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年4月25日提交的申请号为10-2013-0046089的韩国专利申请的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明构思涉及一种半导体集成电路，尤指一种电阻式存储器件。

背景技术

电阻式存储器件使用一种电阻材料，电阻材料的电阻基于施加电压而急剧地改变，以切换至少二种不同电阻状态。典型作为所述电阻式存储器件的有相变随机存取存储器(Phase-Change Random Access Memory,PCRAM)、电阻式随机存取存储器(ResistiveRandom Access Memory,ReRAM)和磁阻式随机存取存储器(Magnetoresistive RandomAccess Memory,MRAM)。

在所述电阻式存储器件中，PCRAM基于相变材料的结晶状态来确定待储存于选中的存储器单元中的数据。通过加热相变材料，可以改变相变材料的相，且因此可以控制电阻状态。PCRAM具有稳定性、无须擦除操作、耐久性、除了非挥发性之外还支持以字节为单位的存取、以及支持高速操作的优点。

近来，为了获得高容量和高集成度，PCRAM需要支持多层单元结构。

图1A和图1B传统PCRAM的横截面图，用于说明其特性。

如图1A所示，传统PCRAM包括半导体衬底1，其中包括存取器件(图未示)和加热电极(图未示)的底板结构形成于其中；相变材料层5，形成为与半导体衬底1内的加热电极接触；以及上电极7，形成于该相变材料5上。相变材料5通过绝缘层3而与邻近的相变材料隔绝。

相变材料5可以使用硫族化合物材料而形成，例如锗-锑-碲(以下称为GST或Ge-Sb-Te)。然而，GST材料由于反复结晶化和非晶化而造成相-分离。

因此，如图1B所示，当PCRAM的使用数量增加时，在GST材料内的锑(Sb)朝向加热电极侧迁移，以及在GST材料内的碲(Te)朝向上电极7侧迁移。

图2A和图2B是用于说明GST材料的相-分离的分布图。

图2A显示了初始状态中构成GST材料的元素的分布，以及图2B显示了一定数目的反复写入操作（例如，执行编程操作）后构成GST材料的元素的分布。

如图2A所见，碲(Te)和锑(Sb)均匀地分布于阳极（例如上电极）侧和阴极（例如加热电极）侧。然而，当重复操作循环时，碲(Te)迁移朝向阳极，且集中在阳极侧，而锑(Sb)迁移朝向阴极，且集中在阴极侧。

当构成GST材料的元素通过电场而被吸引时，将造成上述的相-分离。该相变材料在非晶态下电阻变低。

图3A和图3B是说明由于反复写入操作而造成PCRAM的电流和电压特性改变的特性图。

图3A说明由于反复写入操作而造成PCRAM的电阻-电流特性的改变。当比较初始操作下的电阻-电流特性曲线A11与通过反复操作循环而造成相-分离后的电阻-电流特性曲线B11时，可以看见在相-分离后相变材料的电阻减小，举例来说该相变材料可以为GST材料。相变材料的电阻减小意味着复位电流增大、且因此该PCRAM的操作电压增大。