一种相变化存储装置及其操作方法制造方法及图纸

本发明专利技术是揭露一种相变化存储装置及其操作方法。此处所描述的相变化存储装置及其操作方法是根据以下发现而提出，施加一初始高电流操作于一相变化存储单元以建立高电阻复位状态之后，可以使用在不同的偏压电压下此存储单元的电流电压行为来检测此存储单元是否为一具有不良数据保存特性的瑕疵存储单元。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是关于基于包含硫属化物及其它材料的相变化为基础存储材料的存储装 置，及操作此装置的方法。
技术介绍
相变化为基础的存储材料，例如硫属化物或其它类似的材料可以通过施加适合应 用于集成电路中的不同级别的电流而导致在一非晶相与一结晶相之间的相变化。非晶相具 有比结晶相更高的电阻率，其可以很容易被感应而用于指示数据。这些特性引起了使用可 编程电阻材料作为非易失性存储器电路的兴趣，其可以进行随机存取的读取或写入。相变化存储器中，数据是通过此相变化材料的有源区域在非晶相与结晶相之间的 转换而储存。图1显示具有两电阻状态其中之一(以储存数据)的一定数目存储单元的示 例性状态分布图。每一个存储单元包括一相变化存储元件，其可编程为一高电阻状态102 及一低电阻状态100。每一电阻状态与一未重叠的电阻范围对应。在多位操作中，此相变化 存储元件可编程为超过两个电阻状态。自高电阻状态102至低电阻状态100的改变，以下称为设置(set)，一般是一低电 流步骤，在其中电流会加热此相变化材料到高于一转换温度以使一有源区从非晶相转变至 结晶相。从低电阻状态100至高电阻状态102的改变，以下称为复位(reset)，一般是一高 电流步骤，其包括一短暂的高电流密度脉冲以融化或破坏结晶结构，其后此相转换材料会 快速冷却，抑制相转换的过程，使得至少部份相转换结构得以维持在非晶相。低电阻状态100的最高电阻R1与高电阻状态102的最低电阻R2之间的差值定义 一读取区间以区分存储单元是在低电阻状态100或是高电阻状态102。通过确定存储单元 是否具有与低电阻状态100或是高电阻状态102对应的电阻值，例如通过感应此存储单元 的电阻值是高于还是低于此读取区间内的一临界电阻值RSA103，来确定存储在存储单元中 的数据。此相变化存储装置的一个问题是在高电阻状态102时的数据保存。特别是，在高 电阻状态102的存储单元会因为有源区中的小部分重新结晶使得非晶相转变回结晶相而 产生电阻降低。电阻降低的速率与许多因素相关，包括在一阵列中的结构及材料变动、工艺 瑕疵和此装置所暴露的环境温度因素等。曾经观察到在此阵列中的一些存储单元会在一开始就具有或是在经历多次复位 和/或设置操作后具有在高电阻状态102的较短数据保存时间，显示其电阻很快随着时间 而减少至小于临界电阻值Rsa103。其结果是，当这些存储单元(此处称为瑕疵存储单元)在 读取低电阻状态100时会被检测，而导致位错误。因为材料及工艺条件变动的关系所导致的瑕疵存储单元，会造成阵列中存储单元 之间的不同复位特性，包括复位存储单元所需的电流不同。举例而言，阵列中结构的变动， 例如电极和相变化存储元件的形状与大小的变动，导致相变化存储元件间电流密度不同。 其结果是，阵列中存储单元间的有源区中受到不同热和电的条件影响，导致有源区中非晶相材料体积的大幅变动。因此会导致某些存储单元(瑕疵存储单元)在高电阻状态102时 仅有相当少量的非晶相材料在有源区内，举例而言具有相当大量比例的结晶相材料位于非 晶相体积内、和/或具有相对小的有源区尺寸。其结果是，在相对短的时间后，可以形成一 个低电阻结晶路径通过这些瑕疵存储单元的有源区，而产生位错误。更进一步而言，因为此 相变化存储器的电阻值是与许多因素相关，这些存储单元会经历阻值的快速减少，因此瑕 疵存储单元无法根据其初始电阻值而被辨认出来。许多尝试解决复位存储单元所需电流的差异问题方案包括选用单个合适的高复 位电流。然而如此会导致至少某些存储单元接受了远高于转换至高电阻状态102所需的高 电流级别，在此称为”过度复位”。因为相变化材料是因为热的原因而进行相变化，使用不必 要的高电流写入动作会对存储单元产生电性和机械的可靠性问题。这些问题包括因为在操 作时由热膨胀及材料密度改变所导致的机械应力在相变化材料与电极接口之间的形成空 洞。此外，使用不必要的高电流写入动作会可以导致例如足以诱发电极与相变化材料之间 扩散/反应的区域性加热，和/或导致有源区内的相变化材料组成改变，造成电阻切换劣化 及此存储单元可能失效等问题。瑕疵存储单元也可以因为在装置寿命期间于高电阻状态102的较短保持时间而 产生。举例而言，因为相变化材料组成的改变或是电极材料与相变化材料之间扩散/反应 的关系，非晶相材料的体积大小或许会因为响应于重复的设置与复位操作后的一特定复位 操作而减少。 因此，需要提供一种以相变化为基础的存储装置及其操作方法，来解决由瑕疵存 储单元所产生数据保存的问题，及具有对噪声的较高承受能力。
技术实现思路
此处所描述的相变化存储装置及其操作方法是根据以下发现而提出，在施加一初 始高电流操作给一相变化存储单元以建立高电阻状态之后，可以在使用不同的偏压电压时 此存储单元的电流电压行为来检测此存储单元是否为一具有不良数据保存特性的瑕疵存 储单元。本专利技术揭露一种操作一存储单元的方法，该存储单元包含存储材料且可被编程为 包括一高电阻状态及一低电阻状态的多个电阻状态。该方法包含施加一第一调整偏压至该 存储单元以建立该高电阻状态，施加一第一电压至该存储单元以在该存储单元中诱发一第 一电流，施加一第二电压至该存储单元以在该存储单元中诱发一第二电流，该第二电流与 该第一电流不同，以及选择性地施加一第二调整偏压至该存储单元以建立该高电阻状态。本专利技术也揭露一种存储装置，包含一存储单元，其包含存储材料且可被编程为包 括一高电阻状态及一低电阻状态的多个电阻状态。此装置也包含偏压电路，以施加一第一 调整偏压至该存储单元以建立该高电阻状态，以施加一第一电压至该存储单元以在该存储 单元中诱发一第一电流，及以施加与该第一电压不同的一第二电压至该存储单元以在该存 储单元中诱发一第二电流。此装置更包含偏压电路感应电路，感应该第一电流与该第二电 流。假如此电流电压行为指示此存储单元可能是一个瑕疵存储单元的话，此处所描述 的技术包含施加一额外的高电流操作以建立高电阻状态。后续的高电流操作是适用以增加存储单元有源区内的非晶相材料的体积尺寸。而后续的高电流操作可以是通过与第一次施 加初始高电流操作所施加的脉冲高度、宽度和/或脉冲末端形状不同。其结果是，假如此存 储单元在初始高电流操作后被认定是瑕疵存储单元，可以通过额外的高电流操作将其正确 地复位至具有足够的非晶相变化材料。因此，此处所描述的技术可以克服由具有少量非晶 相变化材料所导致的数据保存问题，因此延长此存储单元的可使用寿命。此外，因为额外的 高电流操作仅在此存储单元是瑕疵存储单元的情况下进行，也可以避免因为过度复位所产 生的问题。假如在此额外的高电流操作之后，此存储单元的电流电压行为仍指示此存储单元 是一个瑕疵存储单元的话，则可以再施加进一步的高电流操作以增加存储单元有源区内的 非晶相材料的数量。本专利技术其它的目的及优点见于以下附图具体实施方式及权利要求所述。 附图说明图1例示了具有两电阻状态其中之一的一定数目存储单元的电阻分布图；图2A 2B显示两种”香菇状”的现有技术的存储单元结构的剖面示意；图3是本专利技术的集成电路的简化框图，此集成电路包括可以执行本文所述的瑕疵 存储单元检测及替换处理的逻辑；图4为本专利技术一实施例的集成电路的存储阵列示意图；图5为一存储本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种操作一存储单元的方法，该存储单元包含存储材料并且可被编程为包括多个电阻状态，这些电阻状态包括一高电阻状态和一低电阻状态，该方法包含：施加一第一调整偏压至该存储单元以建立该高电阻状态；施加一第一电压至该存储单元以在该存储单元中诱发一第一电流；施加一第二电压至该存储单元以在该存储单元中诱发一第二电流，该第二电流与该第一电流不同；以及选择性地施加一第二调整偏压至该存储单元以建立该高电阻状态。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：施彦豪，李明修，吴昭谊，龙翔澜，林仲汉，罗杰契克，马修J布雷杜斯克，毕平拉詹德瑞，
申请(专利权)人：旺宏电子股份有限公司，国际商用机器公司，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]