相变存储器的读取偏置方案

摘要

一种读取偏置方案可以用于包括硫属化物存取器件和硫属化物存储元件的相变存储器。通过适当的读取偏置方案能够达到合乎要求的读取裕度。在一些情况下，这可以导致较优的产量、较高的可靠性和极低的成本。

权利要求

1.一种用于读取相变存储元件的方法，包括：

用大于或等于相变存储元件的阈值电压的电压读取相变存储元件，其中所述相变存储元件具有至少是所述相变存储元件的阈值电压的百分之八十的吸持电压并且具有随改变编程电流而变化小于百分之十的阈值电压。

2．权利要求1的方法，其中：相变存储元件被形成为包括在一对电极之间的相变材料。

3．权利要求2的方法，其中，所述相变存储元件包括上电极和下电极，所述下电极包含氮化钛硅。

4．一种使用相变存储元件的设备，包括：

相变存储元件，所述相变存储元件用大于或等于相变存储元件的阈值电压的电压读取，所述相变存储元件包括上电极和下电极以及在所述电极之间的相变材料，其中所述相变存储元件具有至少是所述相变存储元件的阈值电压的百分之八十的吸持电压，其中，相变存储元件具有随改变编程电流而变化小于百分之十的阈值电压。

5．权利要求4的设备，其中，所述下电极包含氮化钛硅或碳。

说明书

相变存储器的读取偏置方案

技术领域

[0001] 一般地说，本发明涉及用来储存电子信息的存储器。

背景技术

[0002] 当从相变存储单元读取器件数据时，在一种情形下加一个可以比阈值电压低的电压，并测量电流，以便使器件电阻的测定有可能。所测量的器件电阻确定相变存储器中出现的结晶的程度，从而储存在该单元的数据的状态。

[0003] 当读取复位或较高电阻位时，如果读取电压大于阈值电压，由于器件被接通这一事实，器件可以急速返回到低得多的电压，并可以测量到大得多的电流值。在这样情况下，可能很难区分该位的置位或较低电阻和复位状态。一个强制电压读取数据的读取方案必须有裕度保证施加的是小于阈值电压的电压。类似地，在通过强制电流读取器件数据的系统中能看到相同的效应。

[0004] 于是，需要有一种提供较高裕度的读取相变存储器的方法。

发明内容

[0005] 在第一实施例中，本发明提供了一种方法，包括：

[0006] 用大于或等于元件的阈值电压的电压读取相变存储元件。

[0007] 优选地，所述方法还包括使相变存储元件具有至少是所述元件的阈值电压的百分之八十的吸持电压。

[0008] 优选地，所述方法还包括使相变存储元件随编程电流变化二倍而具有大约百分之十的阈值电压。

[0009] 优选地，所述方法还包括：形成包括在一对电极之间的相变材料的相变存储元件。

[0010] 进一步优选地，所述方法还包括形成具有氮化钛硅的下电极的相变材料。

[0011] 在第二实施例中，本发明提供了一种设备，包括：

[0012] 用大于或等于元件的阈值电压的电压读取的相变存储元件，所述相变存储元件包括上电极和下电极以及在所述电极之间的相变材料。

[0013] 优选地，所述元件具有至少是元件的阈值电压的百分之八十的吸持电压。

[0014] 优选地，相变存储元件具有随改变编程电流而变化小于百分之十的阈值电压。

[0015] 优选地，所述下电极包含氮化钛硅或碳。

附图说明

[0016] 图1是按照本发明的一个实施例的存储阵列的描绘图；

[0017] 图2是按照本发明的一个实施例的假定的或示意的存取器件的电流对电压的曲线图；

[0018] 图3是按照本发明的一个实施例的一个偏置方案的描绘图；

[0019] 图4是按照本发明的一个实施例的另一个偏置方案的描绘图；

[0020] 图5是图1上所示的存储阵列的在早期制造阶段的放大横截面视图；

[0021] 图6是按照本发明的一个实施例的一个系统描绘图。

具体实施方式

[0022] 参照图1，相变存储单元10可以包含在以列26和行24排列的存储阵列内。每个单元10可以包括一个存储元件22和选择器件14。提出几个例子，选择器件14可以是二极管、晶体管或双向器件(ovonicdevice)。虽然在这里使用术语“行”和“列”，但这些术语可以是任意的意义，并且这些术语是指用来寻址单元10的任何导电线路。

[0023] 存储元件22可以包括上电极20、相变材料层18和下电极16。元件22、选择器件14和线路24及26可以形成在半导体衬底中或上面。

[0024] 在一个实施例中，相变材料18可以是适于非易失存储器数据储存的相变材料。相变材料可以是具有通过施加能量，例如热、光、电压电位或电流可以改变的电气性质(例如电阻)的材料。

[0025] 相变材料的例子可以包括硫属化物材料或双向材料。双向材料可以是这样的材料，即，一旦经受施加电压电位、电流、光、热等，它就遭受电子的或结构的改变，并起半导体的作用。硫属化物材料可以是这样的材料，即，它包括来自周期表VI列的至少一个元素，或者可以是包括一个或几个硫属元素，例如碲、硫或硒元素中的任何元素的材料。双向和硫属化物材料可以是可用来储存信息的非易失存储材料。

[0026] 在一个实施例中，存储材料可以是由碲-锗-锑(TexGeySbz)材料组的硫属化物成分合成物或者GeSbTe合金，不过本发明的范围不限于仅这些材料。

[0027] 在一个实施例中，如果存储材料是非易失相变材料，通过把电信号施加到存储材料上可以把存储材料编程成至少两个存储状态中的一个。电信号可以在基本上结晶状态和基本上非结晶状态之间改变存储材料的相，其中，在基本上非结晶状态的存储材料电阻大于在基本上结晶状态的存储材料电阻。因此，在这个实施例中，存储材料可以适应被改变到一电阻值范围内的至少两个电阻值中的一个以提供单位或多位信息存储。

[0028] 改变材料的状态或相的存储材料编程可以通过把电压电位施加到电极16和20上，从而产生跨在存储材料层18上的电压电位来完成。电流可以响应所加的电压电位流过存储材料层18的一部分，并可以导致存储材料层18的加热。

[0029] 这个加热和接着的冷却可以改变存储材料层18的存储状态或相。改变存储材料层18的相或状态可以改变存储材料层18的电特性。例如，通过改变存储材料层18的相可以改变存储材料层18的电阻。也可以把存储材料称为可编程电阻材料或简称为可编程材料。

[0030] 在一个实施例中，通过施加约0伏到下电极16上和约0.5-1.5伏到上电极20上，可以在存储材料的一部分上施加约0.5-1.5伏电压电位差。响应所加的电压电位而流过存储材料层18的电流可以导致存储材料的加热。这个加热和接着的冷却可以改变材料的存储状态或相。

[0031] 在“复位”状态，存储材料可以处在非结晶或半非结晶状态；在“置位”状态，存储材料可以处在结晶或半结晶状态。在非结晶或半非结晶状态的存储材料电阻可以比在结晶或半结晶状态的存储材料电阻大。复位和置位分别与非结晶状态和结晶状态的关联是一个约定。也可采纳其他约定。

[0032] 由于电流，存储材料可以被加热到相对较高的温度，使存储材料非晶化和“复位”存储材料(例如把存储材料编程到逻辑“0”值)。加热这个体积或存储材料到相对较低的结晶温度，可以使存储材料晶化和“置位”存储材料(例如把存储材料编程到逻辑“1”值)。通过改变电流量和通过存储材料体积的持续时间，可以得到存储材料的各种电阻以储存信息。

[0033] 通过测量存储材料的电阻，可以读取储存在存储材料18中的信息。作为一个例子，可以利用对置电极16、20给存储材料层18提供读取电流，并可以利用例如读出放大器(未示出)把跨在存储材料层18上的结果读取电压与参考电压比较。读取电压可以与由存储器储存元件呈现的电阻成正比。于是，较高电压可以表明存储材料处在相对较高的电阻状态，例如“复位”状态。较低电压可以表明存储材料处在相对较低的电阻状态，例如“置位”状态。

[0034] 常规上，在阈值电压VT以下范围读取相变存储器件。如果经历超过阈值电压的电压，元件22经历称之为急速返回(snapback)，其中，在超过了阈值电压后有急剧的电压和电流变化。

[0035] 可以如在低电压或低场状态下它呈现出很高的电阻这样把相变元件22编程到零状态。例如，在低偏置下该截止电阻的范围能从50000欧姆到大于10兆欧姆。元件22可以继续处于其截止状态直到阈值电压VT或阈值电流IT把元件22转换到高导电、低电阻的接通状态为止。接通后跨在元件22上的电压降到称为吸持电压(holding voltage)VH的稍低电压，并仍然很接近阈值电压。

[0036] 在通过急速返回区后，在接通状态，当通过器件的电流增加到一定的相对较高的电流电平时，元件22电压降仍然接近吸持电压。在这个电流电平以上，器件继续保持接通状态，但显示出电压降随增加电流而增加的有限差动电阻。元件22可以继续保持在接通状态一直到通过元件22的电流降到特征吸持电流值以下或者电压降到特征吸持电压值以下，特征吸持电流值和特征吸持电压值都依赖于尺寸和用来形成器件22的材料。急速返回电压实际上是阈值电压减去吸持电压。

[0037] 在图2的假定的电流对电压的曲线图中，急速返回的量已明显减小。这可以用若干方法来完成。在一个实施例中，可以把元件22结构设计成供给较高吸持电压，例如大约0.92伏，本发明不限于这个方面。吸持电压的目标可以是与阈值电压更相当。在一个实施例中，吸持电压至少是阈值电压的80％或更高。

[0038] 结果，在一些实施例中可以达到大大减小的急速返回，不过本发明的范围不限于这个方面。在一些实施例中，可以减小急速返回到这样程度，以致能够以比阈值电流高的电流利用强制电流读取方案。事实上，对于复位情况，合乎要求的可以是提供比阈值电压大的读取电压。

[0039] 结果，与常规途径比较，在读取时能达到高得多的裕度。在常规途径中，读取电压或电流必须保持在阈值电压或电流以下。在本发明的一些实施例中，读取电流可以只受以连续读取周期干扰读取位的值的限制。当编程电流可以变化两倍时，这个值可以近似是复位电流的百分之十。

[0040] 在一个实施例中，通过选择适当的电阻性电极材料用于上电极20和/或下电极16，可以达到较高的吸持电压值，不过本发明的范围不限于这个方面。例如，在本发明的一个实施例中，可以用氮化钛硅或碳形成电极20或16和提供近似为0.9伏到1.5伏的吸持电压。通过使相变材料18的厚度最佳，也可以把存储元件22的阈值电压设计成是可与它的吸持电压相当的。给元件22提供近似等于吸持电压的阈值电压减小急速返回效应。

[0041] 参照图3-5，在一些实施例中，可以达到更加一致有效的阈值电压。在常规相变存储元件的情况下，在编程复位位期间，阈值电压明显地随施加到元件上的复位电流量而变化。在本发明的一些实施例中，其中元件的额定阈值电压接近它的吸持电压，阈值电压没有明显地随复位编程电流量而变化，不过本发明的范围不限于这个方面。在图3上，用相对较低的复位编程电流在复位状态编程一个位。在图4上，用标准复位编程电流编程复位位。在图5上，用相对较高的复位编程电流编程复位位。结果，吸持电压分别是1.17、1.13和1.17，而阈值电压分别近似是1.35、1.36和1.36。在本发明的一些实施例中，阈值电压没有明显随复位编程电流而变化。在一个实施例中，在不同的编程电流下，阈值电压变化不多于10％。

[0042] 如果阈值电压是相对恒定的或基本上无变化的，可以很容易地把读取电流或电压瞄准在阈值电流或电压以上或者甚至近似在阈值电流或电压。通过使吸持电压接近阈值电压，吸持电压确定何时元件接通，这可以导致对于变化的复位编程条件更稳定的阈值电压。

[0043] 能够如下进行对相变存储元件22的读取。把0伏施加到选择的行上。强制电流在大于或等于元件22的阈值电流的值。如果相变存储元件22被置位，则相变存储元件22把低电压高电流条件提供给读出放大器。如果相变存储元件22被复位，则可以把较大电压较低电流条件提供给读出放大器。读出放大器能够把结果列电压与参考电压进行比较，或者把结果列电流与参考电流进行比较。

[0044] 转到图6，说明按照本发明的一个实施例的系统500的一部分。系统500可以用于无线设备，例如个人数字助理(PDA)、带有无线能力的膝上或便携计算机、web书写板、无线电话、寻呼机、即时报文传送设备、数字音乐播放器、数字照相机或可适于无线发送和/或接收信息的其他设备。系统500可以用于以下系统中的任何一个：无线局域网(WLAN)系统、无线个人区域网(WPAN)系统或蜂窝网，不过本发明的范围不限于这个方面，也可以与有线系统一起使用。

[0045] 系统500可以包括经总线550互相连接的控制器510、输入/输出(I/O)设备520(例如键区显示器)、存储器530、存储控制器560和无线接口540。应该注意到，本发明的范围不限于具有这些部件中的任一个或所有的的实施例。

[0046] 控制器510可以包括，例如，一个或几个微处理器、数字信号处理器、微控制器等。存储器530可以用来储存发送到系统或由系统发送的信息。存储器530也可以任选地用来储存由控制器510执行的指令。在系统500工作期间，它可以用来储存用户数据。存储器
530可以由一个或几个不同类型的存储器提供。例如，存储器530可以包括易失存储器(任何类型的随机存取存储器)、如闪存存储器这样的非易失存储器和/或包括例如像存储元件22这样的存储器的相变存储器。

[0047] I/0设备520可以被用于产生消息。系统500可以使用无线接口540用无线射频(RF)信号向无线通信网络发送消息和从无线通信网络接收消息。无线接口540的例子可以包括天线或无线收发信机，例如偶极天线，不过本发明的范围不限于这个方面。

[0048] 在一个实施例中，存储控制器560和存储器530可以是单独的集成电路。存储控制器560可以使存储器530被读取。存储控制器560能够发出读取存储器530的命令。存储器中的寻址电路产生线路24上的电压/电流。这些电压/电流可以施加到所选的单元上，它的线路24具有施加到它们上面的适当信号。

[0049] 虽然关于有限数量的实施例说明了本发明，但本领域的技术人员从其中会理解许多改进和变化。意在使所附的权利要求能涵盖属于本发明的真正精神和范围内的所有这样的改进和变化。