專利名稱：具有多個電阻狀態(tài)的相變存儲器結(jié)構(gòu)及其編程和感測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施例大體上涉及半導(dǎo)體裝置領(lǐng)域，且更特定來說，涉及具有多級電阻狀 態(tài)的電阻性存儲器裝置，例如相變存儲器裝置。
背景技術(shù)：
微處理器可存取的存儲器裝置在傳統(tǒng)上已被分類為非易失性存儲器裝置或易失性 存儲器裝置。非易失性存儲器裝置甚至在斷開到存儲器裝置的功率時也能夠保留所存儲 的信息。然而，傳統(tǒng)上，非易失性存儲器裝置占用大量空間且消耗大量功率，從而使得 這些裝置不適合用于便攜式裝置中或作為頻繁存取的易失性存儲器裝置的替代物。另一 方面，易失性存儲器裝置傾向于比非易失性存儲器裝置提供更大的存儲能力和編程選 項。易失性存儲器裝置一般還比非易失性裝置消耗更少的功率。然而，易失性存儲器裝 置需要連續(xù)的電源以便保留所存儲的存儲器內(nèi)容。
正在進行對隨機存取的、具有相對低的功率消耗且是非易失性的商業(yè)上可行的存儲 器裝置的研究和開發(fā)。 一個進行中的研究領(lǐng)域是在電阻性存儲器單元中，其中可以編程 的方式改變電阻狀態(tài)。 一個研究途徑涉及通過響應(yīng)于所施加的編程電壓在結(jié)構(gòu)上或以化 學(xué)方式改變存儲器單元的物理性質(zhì)(其又改變單元電阻)來將數(shù)據(jù)存儲在存儲器單元中 的裝置。正研究的可變電阻存儲器裝置的實例包含尤其使用可變電阻聚合物、鈣鈦礦、 經(jīng)摻雜非晶硅、相變玻璃和經(jīng)摻雜硫族化物玻璃的存儲器。
圖l展示在襯底2上構(gòu)造的可變電阻存儲器單元(例如，相變存儲器單元l)的基 本成分，其具有形成于底部電極3與頂部電極5之間的可變電阻材料4。 一種類型的可 變電阻材料可為摻雜有V、 Co、 Ni、 Pd、 Fe和Mn的非晶硅，如羅斯(Rose)等人在第 5,541,869號美國專利中所揭示。另一類型的可變電阻材料可包含鈣鈦礦材料，例如 Pr(i.x)CaxMn03(PCMO) 、 La(1.x)CaxMn03 (LCMO) 、 LaSrMn03 (LSMO)、 GdBaCoxOy(GBCO)，如伊格納提夫(Ignatiev)等人的第6,473,332號美國專利中所揭 示。又一類型的可變電阻材料可為化學(xué)式AxBy的經(jīng)摻雜硫族化物玻璃，其中"B"選自 S、 Se和Te及其混合物，且其中"A"包含來自周期表的III-A族(B、 Al、 Ga、 In、 Tl)、 IV-A族(C、 Si、 Ge、 Sn、 Pb)、 V-A族(N、 P、 As、 Sb、 Bi)或VII-A族(F、 Cl、 Br、 I、 At)的至少一種元素，且其中摻雜劑選自貴金屬和過渡金屬，包含Ag、 Au、 Pt、Cu、 Cd、 Ir、 Ru、 Co、 Cr、 Mn或Ni，如坎貝爾(Campbell)等人和坎貝爾的第6,881,623 號和第6,888,155號美國專利中所揭示。又一類型的可變電阻材料包含碳聚合物膜，其 包括碳黑顆?；蚴淅缁旌显谒芰暇酆衔镏?，例如杰克布森(Jacobson)等人的 第6,072,716號美國專利中所揭示。用于形成所說明的電極3、 5的材料可選自多種導(dǎo)電 材料，尤其例如為鎢、鎳、鉭、鈦、氮化鈦、鋁、鉑或銀。
許多研究已集中于使用包含相變硫族化物作為電阻可變材料的存儲器元件的存儲 器裝置。硫族化物是周期表的VI族元素(例如Te或Se)的合金。當前用于可重寫壓縮 光盤("CR-RW")中的特定硫族化物是Ge2Sb2Te5。除了具有用于CD-RW光盤中的有 價值的光學(xué)性質(zhì)之外，Ge2Sb2Tes還具有作為可變電阻材料的合意的物理性質(zhì)。Ge、 Sb 和Te的各種組合可用作可變電阻材料，且其在本文中統(tǒng)稱為"GST"材料。具體來說， GST材料可在非晶相與兩個晶相之間改變結(jié)構(gòu)相。非晶相("a-GST")的電阻與四方和 六方晶相(分別為"c-GST"和"h-GST")的電阻可顯著不同。非晶GST的電阻大于四 方GST或六方GST的電阻，所述四方GST或六方GST的電阻彼此類似。因此，在比 較GST的各種相的電阻的過程中，可將GST視為二狀態(tài)材料(非晶GST和結(jié)晶GST)， 其中每一狀態(tài)具有可等同于對應(yīng)二進制狀態(tài)的不同電阻。例如GST等電阻根據(jù)其材料相 而改變的可變電阻材料被稱作相變材料。
從一個GST相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪?GST相是響應(yīng)于GST材料的溫度改變而發(fā)生。通過使不 同強度的電流通過GST材料，可導(dǎo)致溫度改變，即加熱和冷卻。通過使結(jié)晶電流通過 GST材料，因此將GST材料加溫到結(jié)晶結(jié)構(gòu)可生長的溫度，使GST材料置于結(jié)晶狀態(tài) 中。使用更強的熔化電流熔化GST材料以用于隨后冷卻到非晶狀態(tài)。因為典型的相變存 儲器單元使用結(jié)晶狀態(tài)來表示二進制1，且使用非晶狀態(tài)來表示二進制0，所以結(jié)晶電 流被稱作寫入或設(shè)定電流ISET，且熔化電流被稱作擦除或復(fù)位電流IRST。然而，所屬領(lǐng) 域的技術(shù)人員將理解，如果需要的話，可切換GST狀態(tài)到二進制值的指派。
現(xiàn)有技術(shù)中已知的相變存儲器單元通常具有對應(yīng)于二進制O和1的兩個穩(wěn)定的電阻 狀態(tài)。因此，常規(guī)的二狀態(tài)相變存儲器單元可存儲一位信息。具有兩個以上穩(wěn)定電阻狀 態(tài)的相變存儲器單元是合意的，因為其將允許每一單元存儲一位以上信息，進而增加存 儲器存儲容量，而不顯著增加存儲裝置尺寸或功率消耗。
中國的研究人員已提出一種此類將堆棧的硫族化物膜用作存儲媒介的多狀態(tài)相變 存儲器單元。參看楊賴(Y. Lai)等人的"堆棧的硫族化物層用作相變存儲器的多階段 存儲媒介(Stacked chalcogenide layers used as multi-stage storage medium for phase change memory)",應(yīng)用物理A 84, 21-25 (2006)。如圖2A中所示，所提出的多狀態(tài)相變存儲器單元200包括底部電極201、純GST層202、鎢層203、硅摻雜GST層204和頂部電極 205。此提出的相變存儲器單元200提供三個相對穩(wěn)定的電阻狀態(tài)(1)、 (2)和(3)， 如圖2B所說明。用單元200實施三狀態(tài)邏輯是困難的。需要易于實施且提供三個以上 穩(wěn)定電阻狀態(tài)的多位相變存儲器單元。


圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的二狀態(tài)相變存儲器單元的橫截面圖。
圖2A是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的三狀態(tài)相變存儲器單元的橫截面圖。
圖2B是圖2A的相變存儲器單元響應(yīng)于不同的編程電壓的總電阻的圖表。
圖3A是根據(jù)本文中所揭示的實施例而構(gòu)造的相變存儲器單元的每一元件響應(yīng)于不
同的編程電壓的電阻的圖表。
圖3B是根據(jù)本文中所揭示的實施例而構(gòu)造的相變存儲器單元的四個穩(wěn)定電阻狀態(tài)
的圖表。
圖4是說明對根據(jù)本文中所揭示的實施例而構(gòu)造的相變存儲器單元進行編程的方法 的流程圖。
圖5A是根據(jù)本文中所揭示的實施例的具有兩個不同長度的元件的相變存儲器單元 的橫截面圖。
圖5B是根據(jù)本文中所揭示的實施例的具有兩個不同橫截面面積的元件的相變存儲 器單元的橫截面圖。
圖6A是根據(jù)本文中所揭示的實施例而構(gòu)造的相變存儲器單元的每一元件響應(yīng)于不 同的編程電壓的電阻的圖表。
圖6B是根據(jù)本文中所揭示的實施例而構(gòu)造的相變存儲器單元的六個穩(wěn)定電阻狀態(tài) 的圖表。
圖6C是根據(jù)本文中所揭示的實施例的具有三個不同長度的元件的相變存儲器單元 的橫截面圖。
圖7A到7C是根據(jù)本文中所揭示的實施例被配置為堆棧單元的相變存儲器單元在三 個形成階段處的橫截面圖。
圖8A到8D是根據(jù)本文中所揭示的實施例具有具不同長度的元件的被配置為垂直 單元的相變存儲器單元在四個形成階段處的橫截面圖。
圖9A到9F是根據(jù)本文中所揭示的實施例具有具不同電阻率的元件的被配置為垂直 單元的相變存儲器單元在各個形成階段處的橫截面圖。圖IOA到IOC是根據(jù)本文中所揭示的實施例具有具不同長度的元件的被配置為平面 單元的相變存儲器單元在三個形成階段處的自頂向下視圖。
圖IIA到IIF是根據(jù)本文中所揭示的實施例具有具不同電阻率的元件的被配置為平 面單元的相變存儲器單元在各個形成階段處的自頂向下視圖。
圖12描繪可結(jié)合本文中所揭示的多狀態(tài)相變存儲器單元實施例而使用的四狀態(tài)、 電壓感測讀出放大器。
圖13描繪可結(jié)合本文中所揭示的多狀態(tài)相變存儲器單元實施例而使用的四狀態(tài)、 電流感測讀出放大器。
圖14說明包含根據(jù)本文中所揭示的實施例的存儲器裝置的處理器系統(tǒng)。
具體實施例方式
在以下詳細描述中，參考附圖，附圖形成詳細描述的一部分且以說明的方式展示其 中可實踐所主張的本發(fā)明的特定實施例。充分詳細地描述這些實施例以使得所屬領(lǐng)域的 技術(shù)人員能夠?qū)⑵鋵嵤?，且?yīng)理解，可利用其它實施例。所描述的處理步驟的進展是本 發(fā)明的實施例的示范。然而，步驟序列不限于本文中所陳述的序列，且可如此項技術(shù)中 已知進行改變，除了一定要以特定次序發(fā)生的步驟以外。
在一個實施例中，兩個全切換相變材料元件經(jīng)制造而共享相同的第一和第二電極。 所述元件經(jīng)設(shè)計以使得其隨著編程電壓而變的相應(yīng)電阻曲線相對于彼此而移位，如圖3A 中所示?？赏ㄟ^用不同相變材料制造元件或通過調(diào)整一個或一個以上元件性質(zhì)(例如， 長度、電阻率、橫截面面積、結(jié)晶溫度和熔點)而實現(xiàn)移位的電阻曲線，如下文更詳細 地描述。
仍參看圖3A，標記為R (a)的曲線對應(yīng)于兩個相變元件中的一者，而標記為R (b) 的曲線對應(yīng)于兩個相變元件中的另一者。R (a)和R (b)之后的后綴"a"或"c"指 示相應(yīng)相變元件是處于非晶狀態(tài)還是結(jié)晶狀態(tài)。舉例來說，標記"R (a) a"指示相變 元件R(a)處于非晶狀態(tài)。通過施加不同的編程電壓，可實現(xiàn)標記為(1)、 (2)、 (3) 和(4)的四個穩(wěn)定電阻狀態(tài)。在狀態(tài)(1)中，兩個元件均處于低電阻配置，R (a) c 和R (b) c。在狀態(tài)(2)中，元件R (a)處于高電阻配置，R (a) a，而元件R (b) 處于低電阻配置，R (b) c。在狀態(tài)(3)中，元件R (a)處于低電阻配置，R (a) c， 而元件R (b)處于高電阻配置，R (b) c。在狀態(tài)(4)中，兩個元件均處于高電阻配 置，R (a) a和R (b) a。
圖3B是圖3A中所繪制的元件R (a)和R (b)的組合電阻的圖表，即相變存儲器單元的總電阻。因為相變存儲器單元實現(xiàn)四個穩(wěn)定的電阻狀態(tài)，所以其能夠存儲兩位信 息，即對應(yīng)于其四個穩(wěn)定電阻狀態(tài)的22或四個離散值。總電阻級丁11(1)對應(yīng)于狀態(tài)(1)。 總電阻級TR (2)對應(yīng)于狀態(tài)(2)，依此類推。
圖4說明對多狀態(tài)相變存儲器單元(例如，剛描述的四狀態(tài)單元)進行編程的方法 的步驟和最終的裝置狀態(tài)。編程開始于RESET (復(fù)位)脈沖402使元件R (a)和R (b) 返回到初始非晶狀態(tài)，即其中兩個元件均處于高電阻配置的狀態(tài)(4)。隨后施加編程電 壓404以將存儲器單元編程到四個狀態(tài)(1)、 (2)、 (3)和(4)中的一者。編程脈沖的 電壓是將要存儲在存儲器單元中的值的函數(shù)，如圖3B中所示。
圖5A描繪根據(jù)所揭示的實施例而構(gòu)造的相變存儲器單元500。單元500包括第一 電極501、第一相變元件502、第二相變元件503和第二電極505。相變元件502、 503 (包括任何合適的可變電阻材料，例如Ge2Sb2Te5)各自與兩個電極501、 505接觸。為 實現(xiàn)不同的相應(yīng)電阻，相變元件502、 503形成有不同的長度。第一元件502被描繪為 比第二元件503長，但相反的情況也是可能的。第一電極501的伸長部分501a用于縮 短在存儲器單元500的含有第二相變元件503的部分中第一電極501與第二電極505之 間的距離，進而準許第二相變元件503比第一相變元件502短?；蛘?，第一電極501可 為大體上平面的，而第二電極505含有降低的部分以與較短的相變元件503接觸。介電 材料514 (例如，Si02)圍繞相變元件502、 503。
圖5B描繪根據(jù)另一所揭示的實施例而構(gòu)造的相變存儲器單元510。單元510包括 第一電極511、第一相變元件512、第二相變元件513和第二電極515。元件512、 513 各自與兩個電極511、 515接觸。元件512、 513具有類似的電阻率和高度，但元件513 具有比元件512低的熔點和寬的橫截面面積。因此，減小元件513的編程電壓和電阻。 因為第一相變元件512和第二相變元件513具有大體上類似的長度，所以不需要圖5A 中所示的第一電極501的抬高部分501a，進而在此實施例中簡化了電極形成。在替代實 施例中，元件513具有與元件512相同的熔點、橫截面面積和高度，但具有比元件512 低的電阻率，進而實現(xiàn)類似移位的編程電壓。在又一替代實施例中，元件513具有與元 件512相同的橫截面面積和高度，但具有比元件512低的電阻率和熔點，進而實現(xiàn)類似 移位的編程電壓。介電材料514圍繞相變元件512、 513。
雖然圖5A和5B描繪根據(jù)所揭示的實施例而構(gòu)造的四狀態(tài)相變存儲器單元，但所主 張的本發(fā)明不限于此，且可經(jīng)擴展以提供任意數(shù)目的穩(wěn)定電阻狀態(tài)。圖6A展示根據(jù)所 揭示的實施例而構(gòu)造的六狀態(tài)相變存儲器單元(例如，圖6C的單元600)中的三個相 變元件的電阻曲線。所述元件經(jīng)設(shè)計以使得其隨著編程電壓而變的相應(yīng)電阻曲線相對于彼此而移位?？赏ㄟ^用不同相變材料制造元件或通過調(diào)整一個或一個以上元件性質(zhì)(例 如，長度、電阻率、橫截面面積、結(jié)晶溫度和熔點)而實現(xiàn)移位的電阻曲線，如下文更 詳細地描述。
仍參看圖6A，標記為R(a)的曲線對應(yīng)于第一相變元件，標記為R(b)的曲線對 應(yīng)于第二相變元件，且標記為R (c)的曲線對應(yīng)于第三相變元件。R (a)、 R (b)和R (c)之后的后綴"a"或"c"指示相應(yīng)相變元件是處于非晶狀態(tài)還是結(jié)晶狀態(tài)。舉例來 說，標記"R (b) c"指示相變元件R (b)處于結(jié)晶狀態(tài)。通過施加不同的編程電壓， 可實現(xiàn)標記為(1)、 (2)、 (3)、 (4)、 (5)和(6)的六個穩(wěn)定電阻狀態(tài)。在狀態(tài)(1) 中，所有三個元件均處于低電阻(即，結(jié)晶)配置。在狀態(tài)(2)中，第一元件處于高 電阻配置，而第二和第三元件處于低電阻配置。在狀態(tài)(3)中，第一和第二元件處于 高電阻配置，而第三元件處于低電阻配置。在狀態(tài)(4)中，第一和第二元件處于低電 阻配置，而第三元件處于高電阻配置。在狀態(tài)(5)中，第一元件處于低電阻配置，而 第二和第三元件處于高電阻配置。在狀態(tài)(6)中，所有三個元件均處于高電阻(即， 非晶)配置。
圖6B是圖6A中所繪制的元件R (a)、 R (b)和R (c)的組合電阻的圖表，即相 變存儲器單元的總電阻。因為相變存儲器單元實現(xiàn)六個穩(wěn)定的電阻狀態(tài)，所以其能夠存 儲六個離散值?？傠娮杓塗R (1)對應(yīng)于狀態(tài)(1)?？傠娮杓塗R (2)對應(yīng)于狀態(tài)(2)， 依此類推。
圖6C展示六狀態(tài)相變存儲器單元600的一個可能結(jié)構(gòu)。單元600包括具有伸長部 分601a、 601b的第一電極601、第一相變元件602、第二相變元件603、第三相變元件 604和第二電極605。所述結(jié)構(gòu)類似于圖5A中所描繪和上文所描述的四狀態(tài)相變存儲器 單元的結(jié)構(gòu)，但添加了第三元件604和第一電極601的第二伸長部分601b。三個相變元 件602、 603、 604中的每一者具有不同的相應(yīng)長度，致使每一者具有不同電阻。還可通 過其它手段(例如，改變每一相變元件的橫截面面積)來實現(xiàn)不同電阻，如上文參考圖 5B所描述。介電材料606圍繞相變元件602、 603、 604。
根據(jù)本文中所揭示的實施例的相變存儲器單元可被構(gòu)造為堆棧單元。圖7A到7C 說明可用于將四狀態(tài)相變存儲器單元形成為堆棧單元的方法。如圖7A中所示，存儲器 單元堆棧700經(jīng)形成以包括第一相變材料層701 (例如，Ge2Sb2Te5)，介電層702 (例如， Si02)和第二相變材料層703。通過例如用0或N摻雜劑摻雜704來更改第二相變材料 703的電阻率，如圖7B中所示。導(dǎo)電側(cè)壁705、 706用作電極且形成于柵極堆棧700的 每一側(cè)上，如圖7C中所示。根據(jù)本文中所揭示的實施例的相變存儲器單元還可被構(gòu)造為垂直單元。圖8A到8D說明可用于將四狀態(tài)相變存儲器單元形成為垂直單元的方法。如圖8A中所示，底部電極801形成有升高的部分801a，如上文參考圖5A所描述。相變材料層802沉積于底部電極801上，如圖8B中所示。相變材料802經(jīng)蝕刻以形成兩個相變材料元件803、 804，如圖8C中所示。介電材料806經(jīng)形成以圍繞相變元件803、 804。頂部電極805隨后形成于兩個相變元件803、 804和介電材料806上且與其接觸，如圖8D中所示。
在另一垂直單元實施例中，由此構(gòu)造的相變存儲器單元包括具有相同長度但具有不同相變材料成分的相變元件。圖9A到9F說明形成此類相變存儲器單元的兩種替代方法。如圖9A中所示，形成底部電極901。根據(jù)一個實施例，相同相變材料的兩個相變元件902和903隨后形成于底部電極901上并與其接觸，如圖9B中所示。介電材料經(jīng)形成以圍繞相變元件902、 903?；蛘撸墒紫刃纬山殡姴牧?，隨后將其蝕刻以形成溝道，在溝道中形成相變元件902、 903。為實現(xiàn)不同電阻，元件903中的一者經(jīng)受摻雜905，例如O或N摻雜，而另一元件902保持純凈，如圖9C中所示。
參看圖9D，在替代實施例中， 一個相變元件902由第一相變材料形成。介電材料906形成在相變元件902周圍。或者，可首先形成介電材料，且將其蝕刻以形成溝道，在溝道中形成相變元件902。如圖9E中所示，具有與第一相變材料902不同的電阻率的第二相變材料的第二相變元件903形成于在介電材料906中蝕刻的溝道中，且位于底部電極901上方并與其接觸。根據(jù)任一實施例，頂部電極904形成于相變元件902、 903上方并與其接觸，如圖9F中所示。
根據(jù)本文中所揭示的實施例的相變存儲器單元可被構(gòu)造為平面單元。圖IOA到10C是說明將四狀態(tài)相變存儲器單元形成為平面單元的方法的自頂向下視圖。如圖IOA中所示，第一電極1001和第二電極1002形成于襯底(未圖示)上。第一電極1001包含延長部分1001a以容納具有不同長度的相變材料元件，如先前所描述。相變材料1003沉積于電極上，如圖10B中所示。相變材料隨后經(jīng)圖案化以形成兩個相變材料元件1004、1005，兩者均與第一電極1001和第二電極1002接觸，如圖10C中所示。電介質(zhì)(未圖示)經(jīng)形成以圍繞相變元件1004、 1005。
在另一平面單元實施例中，由此構(gòu)造的相變存儲器單元包括具有相同長度但具有不同相變材料成分的相變元件。圖IIA到IIE是說明形成此類相變存儲器單元的兩種替代方法的自頂向下視圖。如圖11A中所示，形成第一電極1101和第二電極1102。根據(jù)一個實施例，相變材料沉積于所述電極上，隨后將其圖案化以形成兩個相變元件1103、1104，如圖11B中所示。為實現(xiàn)不同電阻，元件1104中的一者經(jīng)受摻雜1105，例如O
14或N摻雜，而另一元件1103保持純凈，如圖11C中所示。在替代實施例中， 一個相變元件1103由第一相變材料形成，如圖11D中所示。具有與第一相變材料不同的電阻率的第二相變材料的第二相變元件1104形成于電極1101與1102之間并與其接觸，如圖IIE中所示。電介質(zhì)(未圖示)經(jīng)形成以圍繞相變元件1103、 1104。
具有多狀態(tài)相變存儲器單元(例如，本文中所揭示的實施例)的存儲器裝置必須還在其讀出電路中包括多狀態(tài)讀出放大器。舉例來說，具有四狀態(tài)相變存儲器單元(例如，
圖5A和5B中所描繪的四狀態(tài)相變存儲器單元)的存儲器裝置需要四狀態(tài)讀出放大器。圖12和13描繪用于感測四狀態(tài)相變存儲器單元的電阻的兩個可能的感測方案。當然，其它實施例和配置也是可能的，包含所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的能夠確定四個以上狀態(tài)的實施例和配置。
圖12描繪可結(jié)合本文中所揭示的多狀態(tài)相變存儲器單元實施例而使用的用于讀出放大器1200的四狀態(tài)、電壓感測方案。讀出放大器1200通過施加固定的讀取電流并確定對應(yīng)于單元電阻R的讀出電壓是否大于對應(yīng)于參考電阻Ro的讀出電壓的1/2而獲得二位結(jié)果的第一位。如果R〉l/2Ro，那么第一位為1。否則，第一位為0。如果第一位為0,那么讀出放大器通過確定對應(yīng)于電阻R的讀出電壓是否大于對應(yīng)于參考電阻Ro的讀出電壓的1/6而獲得第二位。如果R〉1/6Rq，那么第二位為l。否則，第二位為O。如果第一位為1，那么讀出放大器通過確定對應(yīng)于單元電阻R的讀出電壓是否大于對應(yīng)于參考電阻Ro的讀出電壓的5/6而獲得第二位。如果I^5/6Ro，那么第二位為l。否則，第二位為O。因此，根據(jù)一個實施例，對應(yīng)于11=0的讀出電壓產(chǎn)生OO，對應(yīng)于R-l/3Ro的讀出電壓產(chǎn)生Ol,對應(yīng)于R:2/3R(d的讀出電壓產(chǎn)生10，且對應(yīng)于R-Ro的讀出電壓產(chǎn)生11。
圖13描繪可結(jié)合本文中所揭示的多狀態(tài)相變存儲器單元實施例而使用的用于讀出放大器1300的四狀態(tài)、電流感測方案。如所示，當施加固定的讀取電壓時，三個電流感測比較器1301、 1302、 1303分別將對應(yīng)于單元電阻R的讀出電流與對應(yīng)于參考電阻1/6RQ、 1/2Rq和5/6Ro的參考電流進行比較。二位結(jié)果的第一位是電流感測比較器1302的輸出。因此，如果對應(yīng)于單元電阻R的讀出電流小于對應(yīng)于1/2Ro的讀出電流，那么第一位為l。否則，第一位為O。通過使三個電流感測比較器1301、 1302、 1303的輸出通過邏輯門1304而獲得二位結(jié)果的第二位，如所示。因此，根據(jù)一個實施例，對應(yīng)于R=0的讀出電流產(chǎn)生00，對應(yīng)于R二l/3Ro的讀出電流產(chǎn)生01,對應(yīng)于R二2/3Ro的讀出電流產(chǎn)生IO，且對應(yīng)于R-Ro的讀出電流產(chǎn)生11。
多狀態(tài)相變存儲器單元(包含本文中所描述的所揭示實施例)可被制造成具有根據(jù)本文中所描述的實施例而構(gòu)造的存儲器單元的一個或一個以上陣列的存儲器裝置集成電路的一部分。對應(yīng)的集成電路可用于典型的處理器系統(tǒng)中。舉例來說，圖14說明典型的處理器系統(tǒng)1400，其包含采用根據(jù)本文中所描述的實施例的改進的相變存儲器單元的存儲器裝置1403。處理器系統(tǒng)(例如，計算機系統(tǒng)) 一般包括中央處理單元(CPU)1401 (例如，微處理器、數(shù)字信號處理器或其它可編程數(shù)字邏輯裝置)，其經(jīng)由總線1405與一個或一個以上輸入/輸出(I/O)裝置1404通信。存儲器裝置1403通常通過存儲器控制器經(jīng)由總線1405與CPU 1401通信。
在計算機系統(tǒng)的情況下，處理器系統(tǒng)1400可包含例如可移除媒體裝置1402 (例如，CD-ROM驅(qū)動器或DVD驅(qū)動器)等外圍裝置，其經(jīng)由總線1405與CPU 1401通信。存儲器裝置1403優(yōu)選被構(gòu)造為集成電路，其包含相變存儲器裝置的一個或一個以上陣列。如果需要的話，存儲器裝置1403可與處理器(例如，CPU 1401)進行組合，以作為單一集成電路。
可使用此項技術(shù)中眾所周知的常規(guī)沉積、植入和蝕刻技術(shù)來形成本文中所揭示的相變存儲器單元。另外，且也是此項技術(shù)中眾所周知的，相變元件通常由不與電極接觸的側(cè)上的介電材料定界。還應(yīng)了解，各種實施例已被描述為將相變材料用作示范性可變電阻材料。還可用其它類型的可變電阻材料來形成本發(fā)明的實施例。
上文描述和圖式應(yīng)僅視為對實現(xiàn)本文中所描述的特征和優(yōu)點的示范性實施例的說明。可作出對特定工藝條件和結(jié)構(gòu)的修改和替代。因此，所主張的本發(fā)明將不被視為由前文描述和圖式限制，而是僅由所附權(quán)利要求書的范圍限制。
1權(quán)利要求
1.一種電阻性存儲器單元，其包括第一和第二電極；以及多個相變電阻元件，其提供于所述第一電極與第二電極之間，所述電阻元件中的每一者具有隨著編程電壓而變的相應(yīng)電阻曲線，所述電阻曲線相對于所述電阻元件中的其它者的所述電阻曲線而移位。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電阻性存儲器單元，其中所述多個相變電阻元件包括兩個相變電阻元件。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電阻性存儲器單元，其中在第一編程電壓下，第一和第二電阻元件處于低電阻狀態(tài)；在第二編程電壓下，所述第一元件處于高電阻狀態(tài)，而所述第二元件處于低電阻狀態(tài)；在第三編程電壓下，所述第一元件處于低電阻狀態(tài)，而所述第二元件處于高電阻狀態(tài)；且在第四編程電壓下，所述第一和第二元件處于高電阻狀態(tài)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電阻性存儲器單元，其中所述第一電阻元件具有第一長度，且所述第二電阻元件具有比所述第一長度小的第二長度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電阻性存儲器單元，其中所述第二電阻元件經(jīng)摻雜以使得所述第二電阻元件具有不同于所述第一電阻元件的電阻的電阻。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電阻性存儲器單元，其中所述多個相變元件包括三個相變元件。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的電阻性存儲器單元，其中在第一編程電壓下，第一、第二和第三元件處于低電阻狀態(tài)；在第二編程電壓下，所述第一元件處于高電阻狀態(tài)，而所述第二和第三元件處于低電阻狀態(tài)；在第三編程電壓下，所述第一和第二元件處于高電阻狀態(tài)，而所述第三元件處于低電阻狀態(tài)；在第四編程電壓下，所述第一和第二元件處于低電阻狀態(tài)，而所述第三元件處于高電阻狀態(tài)；在第五編程電壓下，所述第一元件處于低電阻狀態(tài)，而所述第二和第三元件處于高電阻狀態(tài)；且在第六編程電壓下，所述第一、第二和第三元件處于高電阻狀態(tài)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電阻性存儲器單元，其中所述多個相變電阻元件包括四個或四個以上相變電阻元件。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電阻性存儲器單元，其中所述存儲器單元能夠存儲至少兩個位。
10. —種電阻性存儲器，其包括第一和第二電極；第一相變電阻材料，其提供于所述第一電極與第二電極之間并與其接觸，所述第一相變材料具有隨著編程電壓而變的第一電阻曲線；以及第二相變電阻材料，其提供于所述第一電極與第二電極之間并與其接觸，所述第二相變材料具有隨著編程電壓而變的第二電阻曲線，所述第二電阻曲線相對于所述第一電阻曲線而移位。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的電阻性存儲器，其中在第一編程電壓下，所述第一和第二電阻材料處于高電阻狀態(tài)；在第二編程電壓下，所述第一和第二電阻材料處于低電阻狀態(tài)；在第三編程電壓下，所述第一電阻材料處于高電阻狀態(tài)，且所述第二電阻材料處于低電阻狀態(tài)；且在第四編程電壓下，所述第一電阻材料處于低電阻狀態(tài)，且所述第二電阻材料處于高電阻狀態(tài)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的電阻性存儲器，其中所述第二電阻材料的橫截面面積大于所述第一電阻材料的橫截面面積。
13. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的電阻性存儲器，其中所述第二電阻材料的結(jié)晶溫度低于所述第一電阻材料的結(jié)晶點。
14. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的電阻性存儲器，其中所述第二電阻材料的熔點低于所述第一電阻材料的熔點。
15. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的電阻性存儲器，其中所述第二電阻材料具有比所述第一電阻材料的電阻率低的電阻率。
16. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的電阻性存儲器，其中所述第一和第二電阻材料具有大致相同的電阻率和長度，但所述第二電阻材料具有比所述第一電阻材料的結(jié)晶溫度低的'結(jié)晶溫度、比所述第一電阻材料的熔點低的熔點和比所述第一電阻材料的橫截面面積寬的橫截面面積。
17. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的電阻性存儲器，其中所述第一和第二電阻材料具有大致相同的結(jié)晶溫度、熔點、橫截面面積和長度，但所述第二電阻材料具有比所述第一電阻材料的電阻率低的電阻率。
18. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的電阻性存儲器，其中所述第一和第二電阻材料具有大致相同的橫截面面積和長度，但所述第二電阻材料具有比所述第一電阻材料的結(jié)晶溫度低的結(jié)晶溫度、比所述第一電阻材料的熔點低的熔點和比所述第一電阻材料的電阻率低的電阻率。
19. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的電阻性存儲器，其中所述存儲器是堆棧單元。
20. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的電阻性存儲器，其中所述存儲器是平面單元。
21. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的電阻性存儲器，其中所述第一和第二電阻材料包括Ge、 Sb 和Te的組合。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的電阻性存儲器，其中所述第一和第二電阻材料包括 Ge2Sb2Te5。
23. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的電阻性存儲器，其中所述第一和第二電阻材料被介電材料 圍繞，除了與所述第一或第二電極接觸的側(cè)上之外。
24. —種存儲器裝置，其包括-存儲器單元陣列，每一存儲器單元包括 第一和第二電極；以及多個相變電阻元件，其提供于所述第一電極與第二電極之間，所述電阻元件中 的每一者具有隨著編程電壓而變的相應(yīng)電阻曲線，所述電阻曲線相對于所述電阻元件中的其它者的所述電阻曲線而移位。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的存儲器裝置，其中所述多個相變元件包括兩個相變元件。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的存儲器裝置，其中在第一編程電壓下，第一和第二相變元 件處于低電阻狀態(tài)；在第二編程電壓下，所述第一相變元件處于高電阻狀態(tài)，而所 述第二相變元件處于低電阻狀態(tài)；在第三編程電壓下，所述第一相變元件處于低電 阻狀態(tài)，而所述第二相變元件處于高電阻狀態(tài)；且在第四編程電壓下，所述第一和 第二相變元件處于高電阻狀態(tài)。
27. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的存儲器裝置，其中所述多個相變元件包括三個或三個以上 相變元件。
28. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的存儲器裝置，其中所述存儲器單元中的每一者是垂直單元。
29. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的存儲器裝置，其中所述存儲器單元中的每一者是平面單元。
30. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的存儲器裝置，其中每一存儲器單元能夠存儲至少兩個位。
31. —種處理系統(tǒng)，其包括處理器；以及電阻性存儲器，其耦合到所述處理器，所述電阻性存儲器包括 第一和第二電極；以及多個相變元件，其布置于所述第一電極與第二電極之間，所述相變元件具有不 同的編程特性，使得在第一編程電壓下，所有相變元件均處于高電阻狀態(tài)；在第 二編程電壓下，所有相變元件均處于低電阻狀態(tài)；且在其它編程電壓下，某些所述相變元件處于高電阻狀態(tài)，而其它所述相變元件處于低電阻狀態(tài)。
32. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的處理系統(tǒng)，其中所述多個相變元件包括兩個相變元件。
33. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的處理系統(tǒng)，其中所述多個相變元件包括三個或三個以上相 變元件。
34. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的處理系統(tǒng)，其中所述多個相變元件中的每一者具有不同長 度。
35. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的處理系統(tǒng)，其中所述多個相變元件中的每一者具有大致相 同的電阻率和長度，但具有不同的相應(yīng)結(jié)晶溫度、熔點和橫截面面積。
36. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的處理系統(tǒng)，其中所述多個相變元件中的每一者具有大致相 同的結(jié)晶溫度、熔點、橫截面面積和長度，但具有不同的相應(yīng)電阻率。
37. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的處理系統(tǒng)，其中所述多個相變元件中的每一者具有大致相 同的橫截面面積和長度，但具有不同的相應(yīng)結(jié)晶溫度、熔點和電阻率。
38. —種制造電阻性存儲器單元的方法，所述方法包括-形成第一電極；形成與所述第一電極接觸的多個相變電阻元件，所述電阻元件中的每一者具有隨 著編程電壓而變的相應(yīng)電阻曲線，所述電阻曲線相對于所述電阻元件中的其它者的 所述電阻曲線而移位；以及形成與所述多個相變元件接觸的第二電極。
39. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其中用摻雜劑摻雜所述多個相變電阻元件中的至少 一者。
40. 根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中所述摻雜劑為O、 N和Si中的至少一者。
41. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其中在所述第二電極之前形成所述多個電阻元件。
42. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其中形成所述多個相變電阻元件包括沉積相變材料 層、選擇性地蝕刻所述相變材料層以形成所述多個相變電阻元件，以及在所述多個 相變電阻元件中的每一者之間沉積電介質(zhì)。
43. 根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其進一步包括在所述蝕刻步驟之后摻雜所述多個相 變元件中的至少一者。
44. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其中所述多個相變元件中的每一者具有不同長度。
45. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其中所述多個相變元件包括兩個元件。
46. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其中所述多個相變元件包括三個或三個以上元件。
47. —種對具有多級電阻狀態(tài)的電阻性存儲器單元進行編程的方法，所述方法包括-施加復(fù)位脈沖；以及施加對應(yīng)于所述多級電阻狀態(tài)中的一者的編程電壓。
48. 根據(jù)權(quán)利要求47所述的方法，其中所述復(fù)位脈沖使所述電阻性存儲器單元的所有 電阻性元件返回到非晶狀態(tài)。
49. 根據(jù)權(quán)利要求47所述的方法，其中所述多級電阻狀態(tài)包括四個電阻狀態(tài)。
50. —種感測存儲在具有多級電阻狀態(tài)的電阻性存儲器單元中的多位值的方法，所述方 法包括將讀取電流施加到所述存儲器單元；將對應(yīng)于所述存儲器單元的電阻的讀出電壓與多個參考電壓進行比較； 基于所述比較的結(jié)果來確定存儲在所述電阻性存儲器單元中的所述多位值。
51. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的方法，其中所述多個參考電壓包括大致等于對應(yīng)于參考電 阻的讀出電壓的1/2的第一參考電壓、大致等于對應(yīng)于所述參考電阻的讀出電壓的 1/6的第二參考電壓和大致等于對應(yīng)于所述參考電阻的讀出電壓的5/6的第三參考 電壓。
52. 根據(jù)權(quán)利要求51所述的方法，其中通過將對應(yīng)于所述存儲器單元的電阻的所述讀 出電壓與所述第一參考電壓進行比較來確定所述多位值的第一位，且通過將對應(yīng)于 所述存儲器單元的電阻的所述讀出電壓與所述第二或第三參考電壓進行比較來確 定所述多位值的第二位。
53. 根據(jù)權(quán)利要求51所述的方法，其中所述確定步驟包括以下步驟-如果對應(yīng)于所述存儲器單元的電阻的所述讀出電壓大于所述第一參考電壓 那么確定所述多位值的第一位為1;且如果對應(yīng)于所述存儲器單元的電阻的所述讀出電壓大于所述第三參考電壓，那 么確定所述多位值的第二位為1，且否則確定所述多位值的所述第二位為0，以 及如果對應(yīng)于所述存儲器單元的電阻的所述讀出電壓不大于所述第一參考電壓 那么確定所述多位值的第一位為O;且如果對應(yīng)于所述存儲器單元的電阻的所述讀出電壓大于所述第二參考電壓，那 么確定所述多位值的第二位為1，且否則確定所述多位值的所述第二位為O。
54. 根據(jù)權(quán)利要求51所述的方法，其中大于O但小于所述第二參考電壓的對應(yīng)于所述 存儲器單元的電阻的讀出電壓對應(yīng)于多位值00，大于所述第二參考電壓但小于所 述第一參考電壓的讀出電壓對應(yīng)于多位值01，大于所述第一參考電壓但小于所述第三參考電壓的讀出電壓對應(yīng)于多位值10，且大于所述第三參考電壓的讀出電壓 對應(yīng)于多位值11。
55. —種用于讀取存儲在具有多級電阻狀態(tài)的電阻性存儲器單元中的多位值的讀出放 大器，所述讀出放大器包括多個電流感測比較器，其經(jīng)配置以將對應(yīng)于所述存儲器單元的電阻的讀出電流與 對應(yīng)于參考電阻的多個參考電流進行比較。
56. 根據(jù)權(quán)利要求55所述的讀出放大器，其中所述多個電流感測比較器包括第一電流感測比較器，其經(jīng)配置以將對應(yīng)于所述存儲器單元的電阻的所述讀出電 流與大致等于對應(yīng)于參考電阻的讀出電流的1/2的第一參考電流進行比較；第二電流感測比較器，其經(jīng)配置以將對應(yīng)于所述存儲器單元的電阻的所述讀出電 流與大致等于對應(yīng)于參考電阻的讀出電流的1/6的第二參考電流進行比較；以及第三電流感測比較器，其經(jīng)配置以將對應(yīng)于所述存儲器單元的電阻的所述讀出電 流與大致等于對應(yīng)于參考電阻的讀出電流的5/6的第三參考電流進行比較。
57. 根據(jù)權(quán)利要求56所述的讀出放大器，其中所述第一電流感測比較器的輸出對應(yīng)于 所述多位值的第一位。
58. 根據(jù)權(quán)利要求56所述的讀出放大器，其中所述第二和第三感測比較器的輸出對應(yīng) 于所述多位值的第二位。
59. 根據(jù)權(quán)利要求56所述的讀出放大器，其進一步包括反相器，其耦合到所述第一電流感測比較器；第一 "與"門，其耦合到所述反相器和所述第二電流感測比較器； 第二"與"門，其耦合到所述第一和第三電流感測比較器；以及"或"門，其耦合到所述第一和第二 "與"門。
60. 根據(jù)權(quán)利要求59所述的讀出放大器，其中所述"或"門的輸出對應(yīng)于所述多位值 的第二位。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有多個電阻狀態(tài)的相變存儲器結(jié)構(gòu)及其形成、編程和感測方法。所述存儲器結(jié)構(gòu)包含提供于電極之間的兩個或兩個以上相變元件。每一相變元件具有隨著編程電壓而變的相應(yīng)電阻曲線，所述電阻曲線相對于其它相變元件的所述電阻曲線而移位。在使用兩個相變元件的一個實例結(jié)構(gòu)中，所述存儲器結(jié)構(gòu)能夠在四個電阻狀態(tài)之間切換。
文檔編號G11C11/56GK101681676SQ200880017619
公開日2010年3月24日 申請日期2008年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月31日
發(fā)明者峻 劉, 邁克·瓦奧萊特 申請人:美光科技公司