重置相变存储器和开关(PCMS)存储器单元的方法和装置

摘要

本发明内容涉及非易失性存储器器件的制造。在至少一个实施例中，本发明内容的非易失性存储器可以包括：相变存储器和开关(下文中称为“PCMS”)存储器单元以及一处理，该处理用于利用“查找”表来重置PCMS存储器，以计算将参考电平之上的位设置到最大阈值电压所需的电流。

说明书

技术领域

概括地，本公开内容涉及微电子存储器的制造。微电子存储器可以是 非易失性的，其中存储器即使在未通电时也可保持所存储的信息。

附图说明

在说明书的结论部分中特别指出并且明确要求保护本公开内容的主 题。结合附图来看，本公开内容的前述和其它特征从以下描述和所附权利 要求书中将变得更加完全地显而易见。应当理解的是，附图仅描绘根据本 公开内容的若干实施例，因此不应被认为限制其范围。将通过使用附图， 用附加的特征和细节来描述本公开内容，以使得能够更容易地确定本公开 内容的优点，其中：

图1是示出相变存储器阵列的示意图。

图2是示出相变存储器堆叠的示意图。

图3是示出相变存储器堆叠内的物理元件的示意图。

图4是示出沿着图3中的线4-4的图3的相变存储器堆叠内的相变材 料层的区域的示意图。

图5是基于实验数据的相变存储器和开关(PCMS)阵列中阈值电压分 布的曲线图。

图6是基于由其操作的方程式近似生成的数据的相变存储器和开关阵 列中的阈值电压分布的曲线图。

图7是阈值电压相对于编程电流(V_tI)曲线的曲线图。

图8是阈值电压相对于作为PCMS存储器器件的线临界尺寸的函数的 编程电流的的斜率的曲线图。

图9是根据本说明书的一个实施例的使存储位达到RESET状态的流程 图。

图10是根据本说明书的一个实施例的PCMS存储器系统的示意图。

图11是根据本说明书的一个实施例的系统的示意图。

具体实施方式

在以下详细描述中，参考附图，附图以例示方式示出其中可以实现要 求保护的主题的具体实施例。充分具体地描述了这些实施例以使得本领域 技术人员能够实施所述主题。应当理解的是，各个实施例虽然不同但是不 一定是互斥的。例如，在不脱离要求保护的主题的精神和范围的情况下， 此处结合一个实施例所描述的特定特征、结构或特性可以在其它实施例内 实施。本说明书中引用“一个实施例”或“实施例”的意思是，结合该实 施例所描述的特定特征、结构或特性包含在涵盖于本发明之内的至少一个 实施方式中。因此，使用短语“一个实施例”或“在实施例中”不一定指 代相同的实施例。此外，应当理解的是，在不脱离所要求保护的主题的精 神和范围的情况下，可以改变每个所公开的实施例内个体元件的位置或布 置。因此，不应当以限制性的意义来看待以下具体描述，并且仅由适当解 释的所附权利要求书连同所附权利要求书享有的权利的等同形式的全部范 围来限定本主题的范围。在附图中，类似的附图标记代表所有若干视图中 的相同或相似的元件或功能，并且其中描绘的单元不一定彼此成比例，而 可以放大或缩小个体元件以便更容易理解本说明书的内容中的元件。

本说明书的实施例涉及非易失性存储器器件的操作。在至少一个实施 例中，本公开内容的非易失性存储器可包括相变存储器和开关(下文中称 为“PCMS”)和用于利用“查找”表来重置PCMS的处理，以计算将参考电 平之上的位设置到最大阈值电压所需的电流。

图1示出存储器阵列100，为了示例目的，存储器阵列100包括存储器 单元110₁-110₉的3×3阵列，图2示出单个存储器单元110(类似于图1的 存储器单元110₁-110₉中的任意存储器单元)。每个存储器单元(110和 110₁-110₉)可以包括相变存储元件120和双向阈值开关130。

存储器阵列100可包括列线150₁、150₂和150₃(在图2中示为元件150) 和行线140、140₁、140₂和140₃(在图2中示为元件140)，以在写入和读 取操作期间选择阵列的特定存储器单元。列线150、150₁、150₂和150₃以 及行线140、140₁、140₂和140₃还可被称为“地址线”，因为这些线可以用 于在编程或读取期间寻址存储器单元110、110₁-110₉。列线150、150₁、150₂和150₃还可以被称为“位线”，而行线140、140₁、140₂和140₃还可以被称 为“字线”。此外，应当理解的是，图1的3×3阵列仅仅是示例性的，其可 以是任意合适的大小(即，任意数目的存储器单元)。

相变存储元件120可连接到列线150、150₁、150₂和150₃，并可通过双 向阈值开关130与行线140、140₁、140₂和140₃耦合。每个双向阈值开关 130可串联连接到每个相变存储元件120，并且可用于在每个相变存储元件 120的编程或读取期间访问每个相变存储元件120。当选择特定存储器单元 (例如图2的存储器单元110)时，可向其关联的列线(例如图2的元件150) 和行线(例如图2的元件140)施加电压电势，以对整个存储器单元施加电 压电势。应当理解的是，每个双向阈值开关130可位于每个相变存储元件 120和列线150、150₁、150₂和150₃之间，其中每个相变存储元件120与行 线140、140₁、140₂和140₃耦合。还应当理解的是，在每个存储器单元110、 110₁-110₉内可使用一个以上的双向阈值开关130。

如图3所示，相变存储元件120基于相变材料层210的相变特性进行 操作，该相变材料层210插置在上电极220和下电极230之间(在下电极 和相变层210之间具有电阻加热元件240)。随着电流的施加，由于由电阻 加热元件240和／或由相变材料层210(通过焦耳效应)产生的热，相变材 料层210经历了非结晶状态和结晶状态之间的相变。应当注意的是，下电 极230／电阻加热元件240可在其与相变材料层210之间的界面处具有比相 变材料层210的表面积更小的表面积，以聚集来自电阻加热元件240的焦 耳热。相变材料层210可具有如图3所示的器件厚度“L”和如图4所示的 器件面积“S”。在图4的示例中，表面积S将是相变材料层210的第一尺 寸D1乘以相变材料层210的第二尺寸D2。

相变存储元件120可包括作为其中相变元件的硫族化合物层。硫族化 合物层可包括通常结合IV族和V族元素(例如，锗(Ge)、砷(As)、锑 (Sb)等)的周期表中的VI族元素(例如，硒(Se)、碲(Te)等)。

通过感测其阈值电压来确定PCMS存储器单元被编程到的状态。“SET” 状态对应于低阈值电压，而“RESET”状态对应于高阈值电压。可使用增 大振幅的一系列电脉冲来将相变存储器中的SET位编程到RESET位。施 加初始脉冲后，执行检查或验证周期以确定该位是否已经被重置。如果没 有，则施加更高幅度的脉冲。每次逐步增大脉冲幅度，执行另一项检查或 验证周期以确定该位是否已经被重置，或者是否已经达到或超过最大的安 全脉冲幅度。不断地增大脉冲幅度，直至达到最大的安全脉冲幅度或者所 有待编程的位已被编程到正确的RESET状态(即达到所需的阈值电压)。 然而，通过以这种方式进行编程，一些位可能需要多达25或更多个编程脉 冲，这将限制写操作的速度。可使用单个电脉冲来将相变存储器中的SET 位编程到RESET位。然而，存储器阵列中存储器单元之间物理或布局的微 小差异可导致存储器阵列中宽的阈值电压分布。

在本说明书的一个实施例中，基于采集的实际数据或自适应算法／方程 式来生成“查找”表。查找表确定将存储位设置在参考电平(例如最小阈 值电压V_tmin)之上所需的电流，以近似达到最大阈值电压V_tmax，而不是 施加增大幅度的脉冲序列直到基本上达到所需的最大阈值电压V_tmax为 止。

使用查找表来确定将参考电平之上的存储位设置到近似最大的阈值电 压V_tmax所需的电流，可使得编程脉冲／验证周期的数量减少，并且可获得 存储器阵列中所有存储器单元的紧凑的阈值电压分布。因为通过生成查找 表，阈值电压相对于编程电流(V_tI)的斜率是已知的，因此可实现编程脉 冲／验证周期的数量的减少。

已通过相变存储器和开关单元操作的物理建模，指示阈值电压V_t和编 程电流I之间存在关系。可以通过如下的方程式近似这种关系：

方程式1：V_t=V_tmin+(E_th·L·[1-((J_cr·S)²／I²)])

其中：V_t是阈值电压

V_tmin是参考的最小阈值电压

E_th是基于所使用的对器件结构具有特定灵敏度(sensitivity)的 相变材料的参数

L是器件厚度

J_cr是基于所使用的对器件结构具有特定灵敏度的相变材料的参 数

S是器件面积

I是电流

关于方程式1中的参数E_th和J_cr，这些参数主要由用于PCMS存储器 单元的材料来确定，虽然它们对器件结构有特定灵敏度。在一个实施例中， E_th可以大约是3.2e5V／cm。在另一个实施例中，J_cr可以大约是1.2e7A／cm²。 查找表可基于方程式1或其近似；然而如本领域技术人员所理解的那样， 技术节点、产品、微电子管芯，或者甚至是依赖的模块这些可以变为参数。

从方程式1可以看出，阈值电压(V_t)对器件面积(S)的灵敏度高于 对器件厚度(L)的灵敏度。例如，器件厚度(L)的大约5％的变化可导 致阈值电压(V_t)的大约5％的变化，而器件面积(S)的大约5％的变化 可导致阈值电压(V_t)的大约10％的变化。

如本领域技术人员将理解的，一旦已知初始电流(I₀=J_cr·S)，方程式1 就允许预测任意的阈值电压(V_t)值。

图5示出了基于实际数据(为示例的目的而被近似)的相变存储器和 开关(PCMS)阵列中的阈值电压的累积概率的曲线图，而图6示出了基于 由方程式1为存储器阵列生成的数据(为示例的目的而被近似)的相变存 储器和开关阵列中的阈值电压分布的曲线图，如本领域技术人员将理解的 那样，用于存储器阵列的相变材料层210的面积和厚度两者都以正态分布 概率而变化。此外，图6证实了方程式1和对几何特征(例如相变材料层 的面积和厚度)的阈值电压灵敏度。

因此，方程式1可允许设计脉冲序列以将存储器阵列中的任意存储器 单元有效地设置在指定阈值电压之上。这是可能的，因为如图7所示，阈 值电压相对于编程电流(V_tI)的斜率的曲线是已知的，并且只需要用阈值 电压(V_t)增大处的电流(即I₀)来计算需要达到所需阈值电压的最终电 流。如图8中所示，电压相对于编程电流(V_tI)的斜率的曲线的依赖性是 PCMS存储器单元的线临界尺寸(或者半个间距)的函数。

图9示出了用于利用查找表来重置PCMS存储器单元的基本过程。如 方框310中所示，可施加编程电流到PCMS存储器单元。如方框320中所 示，测量由所施加的编程电流产生的存储器单元的阈值电压V_t。如方框330 中所示，将所测量的阈值电压V_t与参考的最小阈值电压V_tmin进行比较。 如方框340中所示，如果存储器单元的阈值电压V_t不大于或等于参考的最 小阈值电压V_tmin，则逐步增大编程电流，如方框350中所示，重复方框 310、320、330和340。如方框360中所示，如果存储器单元的阈值电压 V_t大于或等于参考V_tmin，则所施加的电流成为初始电流I₀。如方框370 中所示，一旦确定初始电流I₀，就基于初始电流I₀的值而从查找中确定最 终设置编程电流I_placement的值。如方框380中所示，可以利用最终设置电流 I_placement来重置PMCS存储器。

关于图9的方框370，表1中示出了查找表的例子，其中设置电流I_placement已被确定为初始电流I₀的3倍，如下所示：

表1

查找表表示预测的编程电流与初始电流的相互关系，所述预测的编程 电流用于实质上产生最大阈值电压以重置PCMS存储器单元，所述初始电 流实质上产生最小阈值电压。因此，如果发现达到最小阈值电压的100微 安的初始电流I₀，则将从查找表中使用300微安的设置电流I_placement来实现 PCMS存储器单元的重置。使用查找表可得到在最大电压阈值V_tmax的大 约10％以内的设置电流I_placement。因此可以实现编程脉冲／验证周期在数量上 的减少，并可获得存储器阵列中所有存储器单元的紧凑的阈值电压分布。

应当理解的是，图9中所示的处理流程和表1中所示的查找表是简单 的示例，在不脱离本说明书的精神和范围的情况下，处理流程可能更加复 杂而查找表可能更加详尽。此外，应当理解的是，查找表中的精确值可以 是技术节点细节、产品细节、微电子管芯细节、或者甚至是模块细节。

如图10所示，在其最基本的形式中，PCMS存储器系统400可包括至 少一个能够访问查找表420的PCMS存储器单元410，其中查找表用于重 置PCMS存储器单元410。可在存储器系统内部存储查找表420。

图11示出了利用本说明书主题的微电子系统500的示例。微电子系统 500可以是任意的电子器件，包括但不限于便携式器件，例如便携式计算机、 移动电话、数码相机、数字音乐播放器、网络平板(web tablet)、个人数字 助理、寻呼机、即时通讯器件或其他器件。微电子系统500可适于无线发 送和／或接收信息，例如通过无线局域网(WLAN)系统、无线个人局域网 (WPAN)系统和／或蜂窝网络。

微电子系统500可包括通过总线550彼此耦合的控制器510、输入／输 出(I／O)器件520(例如键盘、显示器等)、存储器530和无线接口540。 应当理解的是，本发明的范围并不限于具有任意的这些组件或所有这些组 件的实施例。

控制器510例如可以包括：一个或多个微处理器、数字信号处理器、 专用集成电路、微控制器等。存储器530可用于存储发送到系统500或由 系统500发送的消息。存储器530也可以任选地用于存储在系统500的操 作期间由控制器510执行的指令，并且可以用于存储用户数据。存储器530 可包括至少一个能够访问查找表的PCMS存储器单元，其中查找表用于重 置这里所论述的PCMS存储器单元。

可以由用户使用I／O器件520来生成消息。系统500可使用无线接口 540来以射频(RF)信号向无线通信网络发送消息并从无线通信网络接收 消息。无线接口540的示例可包括天线或无线收发机，虽然本发明的范围 并不限于该方面。

通过参考图11的微电子系统500，本领域技术人员应当理解：微电子 系统500或计算机可包括存储在计算机可读存储器或介质上的计算机程序 产品，其中计算机程序可适于在微电子系统500内或在计算机上执行以访 问查找表，其中利用查找表来以这里所论述的方式重置PCMS存储器单元。

因此已经详细描述了本发明的实施例，应当理解的是，由所附权利要 求限定的本发明不由以上说明中所阐述的具体细节限制，因为其许多明显 的变化在不脱离其精神或范围的情况下是可能的。