高耐用度相变存储器装置及其操作方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种高耐用度相变存储器装置及其操作方法，该相变基础存储器装置及用于操作这类装置的方法克服了设定或复位失效模式且导致了增进的耐用度、可靠度及数据储存表现。高电流修复操作响应于相变存储器单元的设定或复位失效而进行。较高电流修复操作可提供足够的能量以反转在相变材料中可在重复的设定及复位操作后发生的组成改变。通过反转这些组成改变，本文所描述的技术可恢复经历过设定或复位失效的存储器单元，藉此延长存储器单元的耐用度。如此一来，将提供具有高循环耐用度的相变基础存储器装置及用于操作这类装置的方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术关于以包括硫族化物(chalcogenide)材料的相变材料为基础的存储器装置，以及用于操作这类装置的方法。本申请案主张2011年6月23日申请的名称为「(High-Endurance Phase Change Memory Device and Methods for Operating theSame)」的美国临时申请案第61/500，567号，其并入本文作为参考。
技术介绍
相变基础存储器材料，像是硫族化物基础材料以及类似的材料，可通过在集成电路中施加电流至适合于执行的电平，而被导致来改变非结晶相及结晶相之间。非结晶相的 特征在于比可被立即读取以指示数据的结晶相还高的电阻。这些特性已产生在使用可编程的电阻材料的利益，以形成可以随机动态来读取及写入的非易失性存储电路。在本文中，设定操作是从非结晶相到结晶相的变化通常是较低电流的操作，复位操作是从结晶相到非结晶相的变化通常是较高电流的操作，且复位操作包括一短高电流密度脉冲来融化或破坏结晶结构，在相变材料快速冷却后，淬熄该相变过程并容许至少一部份的相变材料在非结晶相中变稳定。在重复的设定及复位操作后，相变存储器单元可经历一「锁定设定失效(stuck-set failure) J或复位失效模式,其中复位操作可不再充分地增加存储器单元的电阻。另一方面，存储器单元也可经历一「高锁定失效(stuck-high failure)」或设定失效模式，其中设定操作无法充分地降低存储器单元的电阻。这些失效模式限制了装置的循环耐用度。因此，其欲提供满足与锁定设定失效模式或高锁定失效模式相关的耐用度议题的相变基础存储器装置及操作方法。
技术实现思路
本文所描述的相变基础存储器装置及用于操作这类装置的方法克服了失效模式而且导致了增进的耐用度、可靠度及数据储存表现。高电流修复操作响应于相变存储器单元的设定或复位失效而进行。当存储器单元的电阻响应于一设定操作而无法被降低到对应于较低电阻设定态的电阻时，发生了一设定失效。当存储器单元的电阻响应于一复位操作而无法被增加到对应于较高电阻复位态的电阻时，发生了一复位失效。修复操作引起了比正常复位操作更高的通过相变存储器单元的电流强度，使得更大体积的相变材料在修复操作期间比在复位操作期间融化。较高电流修复操作可提供一足够的能量，以反转可在重复的设定及复位操作之后所发生的相变材料中的组成改变。这些组成改变可包括设定及复位操作所引起的在相变材料中的电致迁移及相分离，其导致了设定及复位失效。通过反转这些组成改变，本文所描述的技术可回复经历过设定或复位失效的存储器单元，藉此延长存储器单元的耐用度。如此一来，提供了具有高循环耐用度的相变基础存储器装置及操作这类装置的方法。此外，设定操作、复位操作及较高电流修复操作通过施加具有跨过相变存储器单元的相同电压极性而进行。换言之，通过相变存储器单元的电流在每一操作期间以相同方向流动。结果，与需要来施加相反的极性脉冲者相较，需要来操作存储器单元的控制及偏压电路的复杂度大为简化。本专利技术的其他方面及优点可在检阅以下的图式、实施方式及权利要求范围而理解。附图说明图I为包含可如本文所述操作的相变存储器单元的集成电路的简化方块图。 图2说明了在图I的相变存储器阵列中一部份的相变存储器单元的范例。图3说明了具有一有源区及一较大体积的修复区的蕈伞型存储器单元的剖面示意图。图4为具有如本文所述的较高电流修复模式的复位操作的流程图。图5为具有如本文所述的较高电流修复模式的设定操作的流程图。图6为图4的复位操作的范例时间图。主要元件符号说明100 集成电路105 相变存储器阵列110 字线译码器及驱动器115 多条字线120 位线译码器125 多条位线130 感应电路(感应放大器)及数据输入结构135 数据总线140 数据输入线145 数据输出线150 用于读取、设定、复位、设定验证、复位验证及高电流修复模式的控制器155 偏压设定供应电压及电流源160 总线165 其他电路175 方块230、232、234、236 存储器单元246、248、250、252 相变存储器元件254 源线256、258 字线260、262 位线280 电流路径300 存储器元件310 介电层320 第一电极330 相变存储器材料层340 第二电极350 高电阻界面410、420、430、440、450 步骤462、464、466、468、470 步骤500,510 持续时间520 复位偏压530 读取偏压(读取或感应电压脉冲)540 修复或恢复电压具体实施例方式本专利技术的实施例的实施方式以参考图I至图6而提供。图I为集成电路100的简化方块图，集成电路100包含可如本文所述来操作的相变存储器单元(未示出)的相变存储器阵列10 5。具有读取、设定、复位、设定验证、复位验证及高电流修复模式的字线译码器及驱动器110被耦合至沿着相变存储器阵列105中的列所排列的多条字线115且与多条字线115电通讯。位线(行)译码器120与沿着该阵列105的行所排列的多条字线125进行电通讯，用于从该阵列105中的相变存储器单元读取数据以及将数据写入该阵列105中的相变存储器单元。在总线160上的地址被提供至字线译码器及驱动器110以及位线译码器120。在方块130的感应电路(感应放大器)及数据输入结构经由数据总线135被耦合至位线译码器120。数据经由数据输入线140从集成电路100上的输入/输出端或从集成电路100内部或外部的其他数据源供应至方块130的数据输入结构。其他电路165可被包含在集成电路100上，例如一般用途处理器或特定目的应用电路，或是提供由相变阵列105支持的系统单芯片功能的模块的组合。数据从方块130的感应放大器经由数据输出线145提供至集成电路100上的输入/输出端，或者至集成电路100内部或外部的其他数据目的端。集成电路100包括用于读取、设定、复位、设定验证、复位验证及高电流修复模式的控制器150。控制器150,如使用偏压设定(bias arrangement)型态的机器,控制偏压设定的供应电压及电流源155的应用，用于包括读取、设定、复位、设定验证、复位验证及高电流修复模式的偏压设定的应用。控制器150被稱合至方块175的感应放大器,用于响应于从方块130中的感应放大器的输出讯号来控制偏压设定供应电压及电流源155。控制器150可使用如在本领域所知的特定用途逻辑电路来加以实施。在替代的实施例中，控制器150包括可在相同的集成电路上实施，以执行一计算机程序来控制集成电路100的操作的一般用途处理器。图2说明了在图I的相变存储器阵列105中一部份的相变存储器单元的范例。如图2所示，每一个存储器单元包括存取晶体管或其他存取装置，例如二极管。4个具有各自的相变存储器元件246、248、250、252的存储器单元230、232、234、236显示于图2，代表包含数百万个存储器单元的一小部分的阵列。存储器单元可编程为包括一高电阻态及一低电阻态的多个电阻态。电阻态对应于相对应的相变存储器元件的电阻值的非重叠范围。存储器单元230、232、234、236的每一个存取晶体管的来源共同连接至终止于一源线终端电路155的一源线254。在另一实施例中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于操作一存储器单元的方法，该存储器单元包含相变材料及可编程为包含一较高电阻态及一较低电阻态的多个电阻态，该方法包括：施加一第一偏压设定到该存储器单元，以建立一目标电阻态，该第一偏压设定包含一第一脉冲，以引起通过该相变材料的一第一电流；测定该存储器单元在施加该第一偏压设定之后并未处于该目标电阻态；响应于该测定，施加一第二偏压设定到该存储器单元，该第二偏压设定包含一第二脉冲，以引起通过该相变材料的一第二电流，其中该第一脉冲及该第二脉冲具有跨过该相变材料的相同的电压极性，且该第二脉冲具有大于该第一脉冲的一电流强度；以及在施加该第二偏压设定之后，施加一接续的偏压设定到该存储器单元，以建立该目标电阻态。

【技术特征摘要】
2011.06.23 US 61/500,5671.一种用于操作一存储器单元的方法，该存储器单元包含相变材料及可编程为包含一较高电阻态及一较低电阻态的多个电阻态，该方法包括 施加一第一偏压设定到该存储器单兀，以建立一目标电阻态，该第一偏压设定包含一第一脉冲，以引起通过该相变材料的一第一电流； 测定该存储器单元在施加该第一偏压设定之后并未处于该目标电阻态； 响应于该测定，施加一第二偏压设定到该存储器单元，该第二偏压设定包含一第二脉冲，以引起通过该相变材料的一第二电流，其中该第一脉冲及该第二脉冲具有跨过该相变材料的相同的电压极性，且该第二脉冲具有大于该第一脉冲的一电流强度；以及 在施加该第二偏压设定之后，施加一接续的偏压设定到该存储器单元，以建立该目标电阻态。2.根据权利要求I所述的方法，其中该第一电流足以融化一第一相变材料体积，且该第二电流足以融化大于该第一体积的一第二相变材料体积。3.根据权利要求I所述的方法，其中该目标电阻态为一复位态。4.根据权利要求I所述的方法，其中该目标电阻态为一设定态。5.根据权利要求I所述的方法，还包含施加一第三偏压设定，以建立与该目标电阻态不同的一电阻态，且其中 该第三偏压设定在该存储器单元的一有源区中引起该相变材料的一或多个元件的分离；以及 该第二偏压设定在该有源区中引起该被分离的元件的至少一部份的整合。6.根据权利要求I所述的方法，其中该第一电流在该相变材料的一有源区中足以导致在一第一持续时间高于该相变材料的一融化温度的温度，且该第二电流在该有源区中足以导致在一第二持续时间高于该融化温度的温度，该第二持续时间大于或等于该第一持续时间。7.根据权利要求I所述的方法，其中该第一电流在该相变材料的一有源区中足以导致在一第一持续时间高于该相变材料的一结晶温度且低于该相变材料的一融化温度的温度，且该第二电流在该有源区中足以导致在一第二持续时间高于该相变材料的该融化温度的温度，该第二持续时间小于该第一持续时间。8.根据权利要求I所述的方法，还包括 测定该存储器单元在施加该接续的偏压设定之后并未处于该目标电阻态； 反复地施加一额外的偏压设定到该存储器单元以及测定该存储器单元在施加该额外的偏压设定之后并未处于该目标电阻态，直到该存储器单元处于该目标电阻态或是一默认定量的额外的偏压设定已被施加。9.根据权利要求8所述的方法，其中该额外的偏压设定为该第一偏压设定。10.一种存储器装置，包括 一存储器单元，包含相变材料及可编程为包含一高电阻态及一低电阻态的多个电阻态；以及 一控制器，用以施加偏压设...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜姵莹，吴昭谊，李明修，金相汎，林仲汉，
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：