相变存储器装置和控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种相变存储器装置，包括：多个相变存储器单元，每一个单元均包括在第一电极（４４）和第二电极（４２）之间导电连接的相变材料（５０），所述第一电极和所述第二电极用于在所述相变存储器装置的编程周期内向所述相变材料施加具有预定极性的复位电流脉冲；以及控制器（７０），与所述第一电极和所述第二电极相连，用于在向相应单元施加第一数量的编程周期之后，对在下一个编程周期向所述相应单元施加的复位电流脉冲的极性进行反转。本发明专利技术还涉及用于控制这种存储器装置的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术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。本专利技术还涉及控制这种相变存储器的方法。
技术介绍
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IO6 IO9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Ge2Sb3I^5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Lanlchorst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Ge2Sb2I^5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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术还试图提供一种控制PCM改进其防止停留在设置态和停留在复位态故障 的鲁棒性的方法，而不会对器件性能进行折中。根据本专利技术的第一方面，提出了一种相变存储器装置，包括多个相变存储器单 元，每一个单元均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 所述第二电极用于在所述相变存储器装置的编程周期内向所述相变材料施加具有预定极 性的复位电流脉冲；以及控制器，与所述第一电极和所述第二电极相连，用于在向相应单元 施加第一数量的编程周期之后，对在下一个数量编程周期内向所述相应单元施加的复位电 流脉冲的极性进行反转。本专利技术是基于以下认识可以对在不同编程周期内施加的复位脉冲的极性进行反 转，从而消除了对于在编程周期之间施加纠正反转极性脉冲的需要。这具有以下优势本发 明的存储器装置可以按照连续方式工作，而不需要引入修补周期。本专利技术的存储器装置可 以是独立装置，或者可以嵌入到集成电路中。可以选择周期的数量，使得当有理由假设硫族元素材料中的退化效果可能已经前 进到PCM单元的确保正确功能已经达到其持续时间限制的那一点时，只对所述复位电流脉 冲的极性进行反转。例如，可以通过仿真获得这种数量。在实施例中，所述相变存储器还包 括与所述控制器相连的计数器，用于对施加到与所述第一电极相连的导体的复位电流脉冲 的数量进行计数，其中所述控制器配置用于当所述数量达到这种预定值时，对所述复位电 流脉冲的极性进行反转。例如，该计数器可以在对PCM单元进行寻址的每一个时刻进行计 数。可选地，所述计数器可以对向诸如位线之类的导体施加复位电流脉冲的每一个时 刻进行计数，典型地多个PCM单元共享所述位线。这不会产生受监测PCM单元已经复位的 次数的精确数量。然而，这不太可能是个缺点，因为将更加保守地施加所述复位电流脉冲极 性的反转，即刚好在所述硫族元素材料达到其退化限制之前施加，从而减小了发生PCM单元故障的风险。所述硫族元素材料的退化限制也可以按照材料电阻来表达。已知可以通过电阻下 降来监测所述硫族元素材料的退化。因此，所述相变存储器还可以包括与所述控制器相连 的测量装置，用于测量所述相变材料的电阻，其中所述控制器配置用于当所述相变材料的 设置态的测量电阻下降到预定值以下时，对所述复位电流脉冲的极性进行反转，所述预定 值典型地是可以确保PCM单元无错误切换的最小值。这种测量电阻可以是存储器单元的设 置态电阻或者复位态电阻，并且典型地在向所述单元施加设置或复位脉冲之后进行测量。在可选实施例中，所述控制器配置用于在相应单元的每一个写入周期之后对所述 复位电流脉冲的极性进行反转。这消除了对于PCM装置的退化监测硬件的需要。在优选实施例中，所述控制器配置用于向所述相变存储器单元施加双极性复位电 流脉冲，这意味着在每一个编程周期内施加周期性的极性反转。这具有以下优点不要本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种相变存储器装置，包括：　　多个相变存储器单元，每一个单元均包括在第一电极（４４）和第二电极（４２）之间导电连接的相变材料（５０），所述第一电极和所述第二电极用于在所述相变存储器装置的编程周期内向所述相变材料施加具有预定极性的复位电流脉冲；以及　　控制器（７０），与所述第一电极和所述第二电极相连，用于在向相应单元施加第一数量的编程周期之后，对在下一个数量的编程周期内向所述相应单元施加的复位电流脉冲的极性进行反转。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢德维奇古克斯，
申请(专利权)人：NXP股份有限公司，校际微电子中心，
类型：发明
国别省市：NL