[發明專利]多級相變存儲器器件和相關方法

有效

• 申請號: 200810135807.0
• 申請日: 2008-07-14
• 公開（公告）號: CN101345083A
• 公開（公告）日: 2009-01-14
• 發明（設計）人: 鄭基泰
• 申請（專利權）人: 三星電子株式會社
• 主分類號: G11C11/56
• 分類號: G11C11/56;G11C16/02;G11C16/30;G11C16/10
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司
• 代理人: 陸錦華;穆德駿

優先權聲明

本專利申請要求于2007年7月12日提交的韓國專利申請No. 10-2007-0070157的優先權，其整個內容因此通過引用的方式并入。

技術領域

這里所公開的示例實施例涉及一種半導體存儲器器件，并且尤其 涉及一種相變存儲器器件以及相關方法。

背景技術

因為半導體存儲器器件的優點而使對半導體存儲器器件的需求增 加。例如，半導體存儲器器件的一些優點是隨機可存取性以及比其他 存儲器器件高的集成度和容量存儲。作為半導體存儲器器件的閃速存 儲器器件通常用在各種便攜式電子設備中。除此之外，傳統地使用代 替非易失性材料的動態隨機存取存儲器（DRAM）的電容器的半導體 存儲器器件。示例是使用鐵電電容器的鐵電RAM（FRAM）、使用隧 道磁阻層（TMR）的磁RAM（MRAM）以及使用硫化物合金的相變存 儲器器件。多級相變存儲器器件是其制造處理相對簡單以便可實現低 成本高容量存儲器的非易失性存儲器器件。

相變存儲器單元通常使用可在各種結構態之間電變化的不同材 料。各種結構態分別表示不同的電讀出特性。例如，存在由硫族化物 材料（在下文中稱為GST材料），也就是鍺（Ge）-銻（Sb）-碲（Te） 化合物，所形成的存儲器器件。將GST材料編程為通常具有相對高電 阻率的無定形狀態與通常具有相對低電阻率的晶體狀態之間的狀態。 可以通過加熱GST材料來對相變存儲器器件進行編程。加熱的持續時 間和溫度可確定GST材料是保持在無定形狀態還是晶體狀態。高電阻 率和低電阻率分別表示通過對GST材料的電阻進行測量所檢測到的編 程值0和1。

在典型的相變存儲器器件中，存儲器單元包括電阻器件和開關器 件。圖1A和1B是表示相變存儲器器件的存儲器單元的電路圖。參考 圖1A，相變存儲器器件的存儲器單元10包括電阻器件（即可變電阻 器11和開關器件（即存取晶體管12）。

如圖1A所示，可變電阻器11與比特線BL連接，并且存取晶體 管12連接在可變電阻器11與地之間。字線WL與存取晶體管12的柵 極連接。一旦將期望和/或預定電壓施加到字線WL上，存取晶體管12 則導通。一旦存取晶體管12導通，可變電阻器11接收流過比特線BL 的電流。

圖1B是存儲器單元20的電路圖。存儲器單元20包括作為電阻器 件的可變電阻器21以及作為開關器件的二極管22。二極管22根據字 線電壓而導通或截止。

可變電阻器11和21包括相變材料（未示出）。相變材料具有兩 個穩定狀態（例如晶體狀態和無定形狀態）中的一個。相變材料根據 通過比特線BL所供給的電流而變成晶體狀態或無定形狀態。對相變存 儲器器件的數據進行編程利用了相變材料上述特性的優勢。開關器件 可以由諸如MOS晶體管和二極管這樣的多種器件實現。

圖2是示出可用作可變電阻器的相變材料的特性的曲線圖。圖2 的曲線（1）表示可使相變材料變成無定形狀態的溫度條件。圖2的曲 線（2）表示可使相變材料變成晶體狀態的溫度條件。參考曲線（1）， 在通過供給電流脈沖以直至時間T1而將相變材料加熱到比熔融溫度 Tm高的溫度并且此后將相變材料的溫度快速淬冷（quenching）之后， 相變材料變為無定形狀態。將該無定形狀態稱為復位狀態并且與數據1 相對應。參考曲線（2），下述過程之后相變材料變為晶體狀態，所述 過程是：在比時間T1長的時間T2內，以比結晶溫度Tc高但比熔融溫 度Tm更低的溫度加熱相變材料，并且此后以下述速率來淬冷相變材料 的溫度，所述速率比用于淬冷相變材料的溫度以將材料設置為無定形 狀態的速率要低。將該晶體狀態稱為設置狀態并且與數據0相對應。 存儲器單元的電阻根據無定形狀態體積而變化。典型地，當相變材料 處于無定形狀態時存儲器單元的電阻最高，并且當相變材料處于晶體 狀態時存儲器單元的電阻最低。

近來，將不止2比特的數據存儲到一個存儲器單元中的技術處于 發展之中。通常將這類存儲器單元稱為多級單元（MLC）。在相變存 儲器器件中，MLC具有復位狀態與設置狀態之間的中間狀態。

發明內容

示例實施例提供了一種具有高分辨率讀取性能的多級相變存儲器 器件以及其讀取方法。